周期函数频率调制降低EMI水平研究

第44卷第7期2010年7月

电力电子技术

Power Electronics

Vol.44，No.7July 2010

基金项目：国家自然科学基金（60436030）定稿日期：2010-05-27

作者简介：郭海燕（1974-），女，四川广元人，博士，研究方向为电力电子技术及智能功率集成电路。

1引言

当今电子技术朝着高功率密度、高频率、小型化

的方向发展，开关功率变换器的电磁干扰（EMI ）

问题日益显著。近几年提出了一些新的降低电路EMI 的解决方法，例如改进电路结构，消除谐波，有源d u /d t 控制算法，通过加耦合电容和使用各种扩频调制技

术来降低电路的EMI [1-5]。

其中，扩频调制技术仍是降EMI 的主流技术，扩频技术最先应用于通讯和微处理系统。九十年代中期，F Lin 和D Y Chen 将扩频技术应用于开关功率变换器来降低其传导EMI 水平，效果良好。接着各种各样的调制模式也相继出现，例如周期调制、混沌调制、随机调制等。其中周期函数调制相对随机调制和混沌调制可控性更好。分析了常用的几种周期函数频率调制方式，并详细讨

论了调制波形、

调制系数、调制波频率等重要调制参数的选择对抑制开关功率变换器电路传导EMI 的

影响。推导了占空比的选择与抑制电路传导EMI 的

关系，指出当占空比为0.5时，

传导EMI 水平最高。在此讨论了周期函数频率调制在降低电路传导EMI 的同时对输出电压纹波的影响，最后通过搭建一个闭环Boost 电路来对理论进行实验验证。

2扩频技术理论

调制后的调频信号可表达为：

S FM （t ）=A cos ωc t +K FM 乙

f （t ）d 乙

乙

t

（1）

式中：A 为信号的幅度；ωc 为载波频率；K FM 为频偏常数；f （t ）

为调制函数。

描述调制信号特性有调制系数m f 和调制率δ这两个重要参数：

m f =△f c /f m ，δ=△f c /f c （2）

式中：f c =ωc /2π；f m 为调制函数f （t ）频率；△f c 为f c 的最大偏移量。

3

扩频技术中一些重要参数的选择

3.1

不同调制波形下电路传导EMI 大小比较

为分析调制波形与其降低传导EMI 水平的关

系，选用正弦波、矩形波和锯齿波作为调制信号，得到不同波形信号调制下开关电压频谱如图1所示。

由图1可见，3种信号都有降低频谱峰值的效果，其中矩形波扩频后的频谱峰值主要集中在两角；

周期函数频率调制降低EMI 水平研究

郭海燕1，2，张

波1，李肇基1

（1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都610054；

2.西南科技大学，四川绵阳621000）

摘要：周期函数频率调制是降低电路EMI 水平的一个有效方法，但国内对其研究很少。这里论述了周期函数频率调

制的调制波形、调制系数、调制频率的选择与降低电路传导EMI 的关系。分析了占空比的选择对电路传导EMI 大小的影响，指出当占空比为0.5时，开关电压功率谱达到最大值。此处还讨论了周期函数频率调制在降低电路传导EMI 的同时对输出电压纹波的影响。最后通过搭建一个功率为7.5W 、频率为200kHz 的闭环Boost 电路对结论进行了验证。从实验和理论两方面对周期频率调制技术进行了全面深入地分析和阐述。

关键词：变换器；周期频率调制；电磁兼容；电磁干扰中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1000-100X （2010）07-0044-03

EMI Reduction by Means of Periodic Frequency Modulation

GUO Hai -yan 1，2，ZHANG Bo 1，LI Zhao -ji 1

（1.State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices ，University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 610054，China ；2.Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621000，China ）Abstract ：The primary modulation parameters in periodic frequency modulation which have influence on the EMI sup -pressing ，such as modulation profile ，modulation index ，modulation frequency are discussed and analyzed.The relationship between the selection of duty cycle and EMI mitigation is explored.The experiment and theoretical calculation indicate that

when duty cycle is 0.5，

the level of EMI reaches maximum.These analyses provide a theoretical platform for the selection of these parameters.The effectiveness of such methods in terms of EMI reduction is demonstrated theoretically and con -firmed with experimental results obtained from tests carried out on a closed -loop Boost converter whose power is 7.5W

and nominal switching frequency is 200kHz.Finally ，special attention is paid to output voltage ripple.Keywords ：converter ；periodic frequency modulation ；electromagnetic compatibility ；electromagnetic interference Foundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.60436030）

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正弦波扩频后的频谱峰值在其中一角比较突出，中间频率段比较平坦。而三角波扩频后的频谱波形是比较平整的波形，相对来说扩频效果最好。

3.2调制系数的选择

图2示出在m f =2，δ=4%；m f =5，δ=10%；m f =10，δ=

20%3种取值下的开关电压频谱图。

由图2可见，随着m f 增大，频带宽带增大，电路传导EMI 水平明显降低。这是因为随着m f 增大，谐波能量分散到一个

更宽的频带范围。根据能量守恒，

总能量不变，开关频率高次谐波处频谱的幅度就会降低，从而降低了

电路的传导电磁干扰水平。

因为m f 的增大会导致频偏的增大，而频偏是由功率变换器本身的一些特性决定的，所以为了折中频偏和降低EMI 的效果，m f 的取值一般不超过20。

3.3调制频率大小的选择

在EMC 测量中，EMI 接收机的带宽是一个重要

参数。在CISPR25规定中，当频率在150kHz ～30MHz 时，接受机的带宽W RB 要求为9kHz 。

f m 决定了扩频时谐波的边频频谱线之间间距大小。当f m W RB 时，

EMI 接收机能够分辨出单个的谐波分量，

测量的实际结果就会和理论相符合。故通常应选择f m >W RB 。

另外，只有当f m <△f c 时，频率调制的扩频效果才会比较显著。所以其选择范围应为W RB

3.4占空比对电路传导EMI 水平的影响

周期函数扩频控制电路工作原理为：先通过周期信号扩频产生器产生频率不同的锯齿波，锯齿波再与误差放大器的输出信号相比较，再产生频率不同、占空比有微小变化的矩形波。输出矩形波平均占

空比为D ，其大小直接影响电路降低EMI 的效果。

图3示出当u o =10V ，f c =200kHz ，△f c =10kHz ，D 分别取值0.1，0.3，0.5，0.7，0.9时传导EMI 的比较图。分析图3可知，D =0.1与D =0.9两条曲线几乎重合；D =0.3与D =0.7两条曲线几乎重合；D =0.5时，能量几乎都集中在奇次谐波分量上，电路传导EMI 的奇次谐波分量达到最大值，而偶次谐波分量很小，此时扩频电路扩频效果最差。故通过选择适当占空比以减小电路的EMI 水平，或减小特定阶次谐波的EMI 水平。此结论在一些特殊要求的领域很有用。

4

实验结果与讨论

4.1

实验的建立

实验搭建了工作频率为200kHz 的Boost 电路。其输入为5V 的直流电压源，输出电压为15V ，输出功率为7.5W 。电路通过加不同调制信号以不同方式改变电阻上的电流来改变电容的充电电流，从而改变锯齿波的频率来达到扩频的目的。实验选取LM3524D 作为PWM 的控制芯片，构成反馈网络回

路，形成闭环连接如图4所示

。

4.2实验数据分析

图5示出加不同波形调制信号下传导

EMI 大

小比较的实验波形。

图1不同调制信号频谱大小比较

图3D 取不同值时开关电压功率谱大小

图4用LM3524D 构造的实验原理图

图2矩形波在不同调制指数下频谱的大小

图5加不同波形调制信号下传导EMI 大小比较

周期函数频率调制降低EMI 水平研究

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Power Electronics

Vol.44，No.7

July2010

图5a为未加扩频信号时的传导EMI的大小，图5b～d分别为加频率为10kHz的正弦信号、三角信号、指数信号等扩频信号时的传导EMI的大小。由图可见，在未加扩频信号时，谐波分量能量较集中；加入扩频信号后，谐波分量能量较分散，开关电压的频谱峰值降低了约10dB，其中三角形函数和正弦函数两种扩频信号降低EMI的效果很接近，而指数函数扩频信号降低EMI的效果稍差一点。

对在不同δ取值下的EMI大小进行比较。结果表明，在δ=20%时的传导EMI水平略低于δ=10%时的传导EMI水平，这是因为在总能量不变的情况下，δ=20%时谐波能量分散到一个更宽的频带，故EMI水平会降低。

图6示出不同占空比下传导EMI水平的比较，由图可见，D=0.5时的传导EMI峰值比D=0.1时的峰值水平大得多，比D=0.3时略高。由图6c可见，图中的谐波分量明显比图6a，b谐波分量稀疏，这是因为D=0.5时，能量都集中在奇次谐波分量，偶次谐波分量很低。所以D=0.5时，扩频效果最差，传导EMI峰值最高。故在满足要求的情况下应该避免选用D=0.5来降低电路的传导EMI水平。而如果只考虑避开特定的频率，可选用D=0.5。

4.3周期频率调制对输出电压纹波的影响

频率调制会对输出电压的纹波有影响。测出了Boost电路在开环时输出电压的纹波，但闭环状态才是电路的正常工作状态，故同时测量了在闭环状态下输出电压的纹波大小。对闭环与开环状态下的纹波大小进行了比较，开环状态下：正弦波、三角波、矩形波调制的纹波分别为7.3%，7.9%，7.3%，随机调制纹波为5.8%；闭环状态下：正弦波、三角波、矩形波

调制的纹波分别为2.8%，4.3%，2.8%，随机调制纹波为2.8%。可见，闭环状态下输出电压的纹波明显小于开环状态下的纹波。在开环状态下，三角波调制的纹波最大，随机调制的纹波最小；在闭环状态下，各种波形调制的波纹差距减小，最大的纹波不超过5%，这在大多数情况下是可以接受的。当电路对纹波有一定要求时，可通过加反馈网络和选择不同调制波形来实现。

5结论

通过以上理论分析和实验，得出如下结论：①几种扩频信号都有降低传导EMI的效果，三角波扩频后的波形是比较平整的波形，相对来说扩频效果最好；②m

f

和δ的取值越大，其抑制传导EMI的效果

越好，为了折中频偏和降低EMI的效果，m

f

的取值

一般不超过20。f

m

决定了扩频时谐波的边频频谱线

之间的间距大小，f

m

取值范围为W

RB

参考文献

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图6不同D值下传导EMI

的大小46

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1rqq.html