CN101304247B

CN101304247B - 多周期随机数字脉宽调制电路及方法

Info

Publication number: CN101304247B
Application number: CN2008100670169A
Authority: CN
Inventors: 张东来; 王骞; 王毅; 佟强; 姚雨迎
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Aerospace New Source Technology Co., Ltd.
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2028-04-29
Also published as: CN101304247A

Abstract

本发明涉及一种多周期随机数字脉宽调制电路及方法，所述多周期随机数字脉宽调制电路包括：随机数字脉冲宽度调制模块、线性反馈移位寄存器模块和多路复用器模块，其中，随机数字脉冲宽度调制模块与线性反馈移位寄存器模块连接，线性反馈移位寄存器模块与多路复用器模块连接。所述多周期随机数字脉宽调制方法为将前向锯齿波与后向锯齿波进行拼接在一起。本发明技术方案可以根据需要在锯齿波、三角波、随机脉宽调制之间进行选择，具有很大的灵活性。随机脉宽调制的实现，能够实现频谱扩展，有效降低DPWM的EMI传导辐射水平。

Description

多周期随机数字脉宽调制电路及方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及脉宽调制技术，具体涉及一种多周期随机数字脉宽调制电路及方法。

背景技术

在电力电子技术中广泛采用固定周期的PWM(Pulse WidthModulation)脉宽调制技术，但固定周期的PWM调制信号的工作波形是周期性方波，在开关频率和开关频率的整数倍附近含有丰富的高次谐波，这些不期望的谐波会降低整个系统的电磁兼容品质，产生很强的宽带电磁发射源，在其它的电路中产生较大的噪声甚至使其它的电路无法正常工作。对于电机来说，则容易在电机中产生较大的音频噪声和振动。由PWM驱动信号自身特点所决定，这种由PWM驱动信号所造成的EMI(Electromagnetic Interference)电磁干扰，无法依靠增加硬件的方法来解决。

发明内容

为了解决现有技术中存在的在开关频率或开关频率的整数倍附近，存在着较强的窄带音频噪声，该噪声的强度和频谱特性会使系统以及周围的电路中容易产生音频范围内的噪声干扰，使电机产生音频噪声和振动等技术问题，本发明提供了一种多周期随机数字脉宽调制电路。

为了解决现有技术中存在的在开关频率或开关频率的整数倍附近，存在着较强的窄带音频噪声，该噪声的强度和频谱特性会使系统以及周围的电路中容易产生音频范围内的噪声干扰，使电机产生音频噪声和振动等技术问题，本发明提供了一种多周期随机数字脉宽调制方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供一种多周期随机数字脉宽调制电路，所述多周期随机数字脉宽调制电路包括：随机数字脉冲宽度调制模块、线性反馈移位寄存器模块和多路复用器模块，其中，所述随机数字脉冲宽度调制模块与所述线性反馈移位寄存器模块连接，所述线性反馈移位寄存器模块与所述多路复用器模块连接。

根据本发明的一优选实施例：所述随机数字脉冲宽度调制模块包括输入部和输出部；所述输入部包括：异步复位输入信号、时钟输入信号、序列输入信号和占空比输入信号；所述输出部包括随机脉宽调制输出信号和移位时钟信号。

根据本发明的一优选实施例：所述线性反馈移位寄存器模块可生成伪随机序列，所述伪随机序列可控制锯齿波数字脉冲宽度调制中计数器的计数方向。

根据本发明的一优选实施例：所述多路复用器模块可在随机数字脉宽调制、锯齿波数字脉宽调制和三角波数字脉宽调制之间进行选择。

为了解决现有技术存在的问题，本发明还提供了一种多周期随机数字脉宽调制方法，所述多周期随机数字脉宽调制方法为将前向锯齿波与后向锯齿波进行拼接在一起。

根据本发明的一优选实施例：所述多周期随机数字脉宽调制方法具体为：当向上计数标志为‘A’时，锯齿波设定为后向的，当向上计数标志为‘B’时，设定锯齿波为前向的；当所有计数标志都为‘A’时，所述随机数字脉冲宽度调制器变成通常的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制；当所有计数标志都为‘B’时，所述随机数字脉冲宽度调制器变成前向的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制；当‘A’和‘B’相互交错时，数字脉冲宽度调制变成三角波数字脉冲宽度调制，开关频率降低为原来的一半；当向上/向下计数脉冲流为任意值时，开关频率为标准开关频率和1/2标准开关频率之间的一个值。

根据本发明的一优选实施例：所述计数标志‘A’为“1”或“0”，与此相对应，所述计数标志‘B’为“0”或“1”。

本发明的有益效果在于：可以根据需要在锯齿波、三角波、随机脉宽调制之间进行选择，具有很大的灵活性。随机脉宽调制的实现，能够实现频谱扩展，有效降低DPWM的EMI传导辐射水平。

附图说明

图1.本发明多周期随机数字脉宽调制电路及方法中实现多周期随机数字脉宽调制的LFSR方案电路原理图；

图2.采用LFSR方案实现多周期随机数字脉宽调制的测试波形图；

图3.采用传统计数器-比较器方案实现DPWM的测试波形图。

具体实施方式

随机PWM(Pulse Width Modulation-脉宽调制)技术是减少电力电子开关EMI(Electromagnetic Interference-电磁干扰)的有效方法之一。随机调制技术不需更改电力电子系统的拓扑结构，对系统和滤波器的设计无额外要求，用随机调制技术实现对EMI的抑制并不增加系统的体积，是一种优化的硬开关调制技术。随机调制技术是将按某种概率规律分布的随机信号加入到开关信号，使得开关信号变为非周期信号，将原来集中在开关频率及其谐波频率上的能量分摊在整个频域范围内，从而有效减小了离散谐波幅值，使功率谱呈现较连续的频谱特性，明显地抑制了存在于开关功率电路中的传导EMI。需要指出的是，随机调制并没有将总谐波能量减小，而是将原来集中在开关频率及其频率上的能量分摊在整个频域范围内，使得集中在谐波频率上的谐波能量相对减小。

根据随机脉宽调制策略的不同，随机脉宽调制主要有以下4类：随机脉冲位置调制(RPPM，Random Pulse Position Modulation)，随机脉冲宽度调制(RPWM，Random Pulse Width Modulation)，固定占空比的随机载波频率调制(RCFMFD，Random Carrier-FrequencyModulation with Fixed Duty cycle)，可变占空比的随机载波频率调制(RCFMVD，Random Carrier-Frequency Modulation with Variable Dutycycle)。在这四种随机脉宽调制策略中，RPWM和RCFMFD具有较小的低频谐振特性，尤其适合工程中的应用。

本发明专利基于RDPWM随机脉宽调制技术，着重于在FPGA上或ASIC上通过数字逻辑实现随机脉宽调制，改善设计的EMI特性。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本发明多周期随机数字脉宽调制电路及方法采用的技术方案为通过RDPWM技术，对电压和电流的频谱进行扩展，有效地抑制电路中所产生的电磁干扰，或者在EMI要求不变的情况下，减小附加EMI抑制电路的体积和重量。

请参阅图1.本发明多周期随机数字脉宽调制电路及方法中实现多周期随机数字脉宽调制的LFSR方案原理框图，如图1所示，所述多周期随机数字脉宽调制电路包括：随机DPWM模块(数字脉冲宽度调制模块)、LFSR(线性反馈移位寄存器)模块和Mode_Mux(多路复用器)模块，其中，所述随机数字脉冲宽度调制模块与所述线性反馈移位寄存器模块连接，所述线性反馈移位寄存器模块与所述多路复用器模块连接。

其中，所述随机数字脉冲宽度调制模块包括输入部和输出部；所述输入部包括：异步复位输入信号、时钟输入信号、序列输入信号和占空比输入信号；所述输出部包括随机脉宽调制输出信号和移位时钟信号。

所述线性反馈移位寄存器模块可生成伪随机序列，所述伪随机序列可控制锯齿波数字脉冲宽度调制中计数器的计数方向。

所述多路复用器模块可在随机数字脉宽调制、锯齿波数字脉宽调制和三角波数字脉宽调制之间进行选择。

所述线性反馈移位寄存器模块以及所述多路复用器模块的作用是将真实的开关频率数据变成二进制数据流。

随机数字脉冲宽度调制模块的输入有异步复位信号ARST_N，时钟信号CLK，序列输入信号SEQ_IN以及占空比输入信号DUTY_IN，输出主要有随机脉宽调制输出信号DPWM_OUT以及移位时钟信号SHIFT_CLK。

随机数字脉冲宽度调制模块的作用有两个，其一是根据序列输入信号及占空比输入信号产生随机脉宽调制输出，其二是每N(N为LFSR的长度)个开关周期产生一个移位时钟信号，使LFSR中进行移位。

线性反馈移位寄存器模块的输入有异步复位信号ARST_N，时钟信号CLK，输出主要有伪随机信号Q。线性反馈移位寄存器的主要作用是产生随机数字脉宽调制所需要的伪随机数序列。

多路复用器模块共有四个输入以及一个输出。其四个输入为LFSR所产生的伪随机序列、由常数形式给定的三角波序列、锯齿波序列，以及模式选择输入。其输出为序列信号输出。序列输出信号为伪随机序列、三角波序列和锯齿波序列中的一种，而模式选择信号决定到底是哪一种。

三个模块的连接关系为：线性反馈移位寄存器模块的时钟连接到随机数字脉冲宽度调制模块输出的移位时钟管脚，所输出的伪随机信号连接到多路复用器模块的输入。多路复用器模块的输出连接到随机数字脉冲宽度调制模块序列信号输入管脚，复位信号为全局的低有效复位信号。

本发明还提供了一种多周期随机数字脉宽调制方法随机数字脉冲宽度调制的实现方法，所述多周期随机数字脉宽调制方法主要是通过将前向锯齿波和后向锯齿波拼接在一起实现的。当向上计数标志为‘A’时，锯齿波为后向的，反之锯齿波则为前向的。当所有计数标志都为‘A’时，随机数字脉冲宽度调制器变成通常的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制，当所有的计数标志都为‘B’时，随机数字脉冲宽度调制器变成前向的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制，当所有的‘A’和‘B’相互交错时，数字脉冲宽度调制变成三角波数字脉冲宽度调制，开关频率降低为原来的一半，当向上/下计数脉冲流为任意值时，开关频率为标准开关频率和1/2标准开关频率之间的一个值，具体取决于‘A’和‘B’的搭配情况。

多周期随机数字脉宽调制DPWM为由输入的伪随机序列信号控制的计数器-比较器型DPWM，在模块工作时序中，当前一开关周期的计数接近完毕后，依次装入向上/向下计数标志寄存器、占空比值寄存器，并在当前开关周期开始时，根据已经装入的向上/向下计数标志寄存器值以及占空比值进行计数和比较。当向上/向下计数标志为‘A’时，计数器为递增的，当计数值大于最大占空比与输入占空比的差时，占空比信号输出为‘1’，否则输出为‘0’，并且高电平信号的终止相位为2*Pi。当向上/向下计数标志为‘B’时，计数器为递减的，当计数值小于输入的占空比值时，占空比信号输出为‘1’，否则输出为‘0’，高电平信号的起始相位为‘0’。这样，当输入序列中出现“AB”时，移相后的前一个开关周期的占空比信号和本周期相位为零的占空比信号就拼接在一起，组成一个三角波，即两个开关周期只输出一个占空比，该占空比的宽度是原来两个占空比宽度的和。在其他情况下，两个开关周期仍然输出两个占空比，但输入序列为‘A’时，占空比输出的相位也发生了改变，其相位值与输入的占空比有关，因此是随机脉冲位置调制的DPWM，对于改善EMI传导辐射水平，同样是有利的。

随机脉宽调制方法主要有单周期随机调制和多周期随机调制。对于比较器-计数器型DPWM而言，单周期的随机化可通过改变开关周期的最大计数值来实现，但这要求占空比值相应地做出变化，实现方案复杂且容易导致DPWM精度的降低。本发明中所述方法在不改变原有的比较器-计数器脉宽调制框架的基础上，通过改变向上/下技术控制位，来实现多周期随机脉宽调制，实现方法简单，而DPWM的精度不变。本发明技术方案可以根据需要在锯齿波、三角波、随机脉宽调制之间进行选择，具有很大的灵活性。随机脉宽调制的实现，能够实现频谱扩展，有效降低DPWM的EMI传导辐射水平。

请参阅图2采用LFSR方案实现多周期随机数字脉宽调制的测试波形图，如图2时，输入信号有异步复位信号ARST_N，时钟信号CLK，占空比输入信号DUTY_IN，输出信号有计数器测试信号CNTR_TST以及数字脉宽调制输出信号DPWM_OUT。传统的锯齿波计数器-比较器型DPWM所输出的脉宽调制信号的相位为零，输出信号的频率固定，为开关频率。而对于本专利提出的随机DPWM来说，其随机特性主要体现在随机脉冲位置调制和随机载波频率调制。当通过输入序列的控制，使计数器工作在向上计数模式，此时脉宽调制输出信号的起始相位是不确定的，随占空比的变化而变化，而其终止相位为2*Pi，此时多周期随机数字脉宽调制电路工作在随机载波位置调制状态，图中第2-6个开关周期即是工作在这种状态。当通过输入序列的控制，使前一个开关周期为向上计数状态，而当前开关周期为向下计数状态时，前一个开关周期的脉宽调制波形与当前开关周期的调制波形拼合在一起，此时多周期随机数字脉宽调制电路即工作在随机载波位置调制状态，同时也工作在随机载波频率调制状态，图中，开关周期7、8即是工作在这种状态。当通过输入序列的控制，使计数器工作在向下计数状态时，为传统的DPWM，其所输出的脉宽调制信号的相位为零，图中第一个开关周期既是工作在这种状态。

请参阅图3采用传统计数器-比较器方案实现DPWM的测试波形图；如图3所示，采用传统的计数器-比较器方案实现DPWM时，所有脉宽调制输出信号的相位为零，频率为开关频率，从而在开关频率和开关频率的整数倍处产生较大的干扰和噪声。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，例如：可以采用延迟链或者混合型PWM代替比较器-计数器型DPWM，RDPWM的实现方法不变；可通过不完全的随机数来控制频谱扩展的范围。如随机序列的长度为16，而高8位均为‘1’，而低8位为随机数。用不完全随机数的方法也可以实现随机脉冲位置调制，即随机串的位置也是随机的；可以采用ROM/RAM代替LFSR实现随机序列；可以用无整数倍关系的慢时钟对快数据进行采样以实现随机序列；以上所述这些改变也都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多周期随机数字脉宽调制电路，其特征在于：所述多周期随机数字脉宽调制电路包括：随机数字脉冲宽度调制模块、线性反馈移位寄存器模块和多路复用器模块，其中，所述随机数字脉冲宽度调制模块与所述线性反馈移位寄存器模块连接，所述线性反馈移位寄存器模块与所述多路复用器模块连接，所述随机数字脉冲宽度调制模块包括输入部和输出部；所述输入部包括：异步复位输入信号、时钟输入信号、序列输入信号和占空比输入信号；所述输出部包括随机脉宽调制输出信号和移位时钟信号，线性反馈移位寄存器模块的输入有异步复位信号以及时钟信号，输出有伪随机信号；线性反馈移位寄存器模块的时钟连接到随机数字脉冲宽度调制模块输出的移位时钟管脚，所输出的伪随机信号连接到多路复用器模块的输入，多路复用器模块的输出连接到随机数字脉冲宽度调制模块序列信号输入管脚。

2.根据权利要求1所述多周期随机数字脉宽调制电路，其特征在于：所述线性反馈移位寄存器模块可生成伪随机序列，所述伪随机序列可控制锯齿波数字脉冲宽度调制中计数器的计数方向。

3.根据权利要求1所述多周期随机数字脉宽调制电路，其特征在于：所述多路复用器模块可在随机数字脉宽调制、锯齿波数字脉宽调制和三角波数字脉宽调制之间进行选择。

4.一种多周期随机数字脉宽调制方法，采用权利要求1所述的一种多周期随机数字脉宽调制电路，其特征在于：所述多周期随机数字脉宽调制方法为将前向锯齿波与后向锯齿波进行拼接在一起，所述多周期随机数字脉宽调制方法具体为：

当向上计数标志为‘A’时，锯齿波设定为后向的，当向上计数标志为‘B’时，设定锯齿波为前向的；

当所有计数标志都为‘A’时，通过随机数字脉冲宽度调制模块变成通常的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制；

当所有计数标志都为‘B’时，通过随机数字脉冲宽度调制模块变成前向的锯齿波比较器-计数器型数字脉冲宽度调制；

当‘A’和‘B’相互交错时，数字脉冲宽度调制变成三角波数字脉冲宽度调制，开关频率降低为原来的一半；

当向上/向下计数脉冲流为任意值时，开关频率为标准开关频率和1/2标准开关频率之间的一个值。

5.根据权利要求4所述多周期随机数字脉宽调制方法，其特征在于：所述计数标志‘A’为“1”或“0”，与此相对应，所述计数标志‘B’为“0”或“1”。