CN101860196A - 利用pwm芯片混沌抑制开关变换器emi的方法和电路 - Google Patents

利用pwm芯片混沌抑制开关变换器emi的方法和电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的方法和电路，所述方法是利用混沌发生电路提供的混沌信号，调节PWM芯片外围时钟电路的充放电时间，使PWM芯片的工作频率随着混沌信号的幅度发生改变，从而改变PWM芯片输出的驱动信号频率，将原来集中在开关变换器的开关信号频率倍频次谐波处的能量重新分配在较宽的频带内，实现抑制开关变换器EMI。实现所述方法的电路包括混沌发生电路、调制度控制电路和PWM芯片外围时钟电路，混沌发生电路产生的混沌信号送至调制度控制电路，调制度控制电路通过调节混沌信号的强度，来改变开关频率的变化范围。本发明具有EMI抑制效果好、成本低、适用性强、易于推广的优点。

Description

利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的方法和电路
技术领域
本发明提供了一种直接在开关变换器现有PWM控制芯片上实现混沌抑制EMI的方法和电路。
背景技术
为获得更小的体积，采用脉宽调制(PWM)技术的开关电源的开关频率不断提高(数十KHz到数MHz)。现有实验分析表明，开关电源采用的开关变换器电磁干扰的峰值主要集中在开关频率的倍频处，由于它是一个以开关频率为基波的离散频谱，这些谐波成分通过传输线和空间电磁场向外传播，从而造成了传导和辐射干扰问题，不但严重污染了周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，如开关电源产生的EMI噪声能引起相邻通信设备工作故障，辐射高频噪声。随着通讯及控制技术的发展，各种高频数字电路对开关电源电磁兼容性(EMC)的要求更加严格，如何减小电磁干扰(EMI)成为开关电源设计中的一个难点，也成为制约开关变换器发展的一个瓶颈。
为强调EMI辐射干扰的危害性，国际无线电干扰特别委员会(CISPR)和美国联邦通信委员会(FCC)分别制定的CISPR22和FCC标准，已分别在欧洲和北美使用。欧洲的EN55022标准等同于CISPR22标准。这些标准规定了电子设备产生的最大EMI，有峰值、准峰值和平均值几个指标。开关变换器是产生EMI噪声最主要的电子设备，设计这类产品需考虑的一个重要指标是尽可能将EMI降到不同标准都允许的范围内。
专门针对开关电源电磁兼容的研究工作，目前还处于起步阶段，抑制电力电子变换器电磁干扰的措施主要有：1)增加输入滤波和屏蔽技术，这种方法的缺点是制作复杂，增加电力电子变换器成本和体积，且在对开关电源面积和体积要求严格的应用场合作用有限。2)在高频开关(MOSFET和次级整流二极管)上加Snubbers电路，以减小dv/dt和di/dt，缺点是增加了高频开关损耗。3)通过完善PCB设计来减小高频电流回路的面积，缺点是要考虑实际产品中原件的布置且需要丰富的经验。以上方法都没有从根本上解决开关变换器的EMI问题，对电磁干扰特性的研究表明，若能使EMI能量在频域内尽可能的均匀分布，就能降低电磁干扰的频谱峰值，使开关变换器电磁干扰得到抑制。
频率变化技术也称扩频技术，最早应用在无线传输中处理射频信号，是指通过某种调制方法实现载波频率可变。这种技术能够将载波信号功率的98％分布到一个特定的带宽上。对于开关变换器来说，就是使开关变换器工作在较宽的频率范围内。其基本思想是通过调制功率器件的开关频率把集中在开关频率及其各次谐波上的能量分散到周围的频带上，由此降低各个频点上的功率谱幅值。近10年，应用频率调制开关变换器已经有了大量研究，主要出现了周期频率调制技术、抖频技术、随机频率调制、混沌频率调制技术。利用混沌频率调制降低EMI较其他频率调制技术具有以下优点：1)混沌信号源比随机信号源更容易设计，成本更低，使混沌调制比随机调制更容易实现；2)随机调制只有单一的概率密度控制，而混沌调制有不变分布、特征频谱等多种控制机理使混沌调制比随机调制更为灵活。混沌频率调制技术被认为是一种从源头上降低EMI的、最有效的抑制EMI的方法。
随着电子技术的发展，开关变换器的集成PWM芯片已发展到数十种(UC3842，SG3525，TL494等)，这些专用芯片的出现，不仅简化了电路设计计算，使电路的可靠性大大提高。在不改变开关变换器原拓扑、参数和控制环节的情况下，利用混沌控制信号直接调节现有开关变换器专用PWM芯片的时钟频率的充放电时间，实现混沌抑制EMI，是本发明的出发点和目标。这种方法只需增加少量的电阻、电容及一些集成运放元件，不会明显增加开关变换器体积和重量，不会对开关变换器的效率和性能带来任何负面影响，更不会给由开关变换器构成的电源产品的制造增加任何不便。具有实用、成本低但技术含量高的特点，是一种易于推广的EMI抑制方法，适用于各种开关变换器的专用PWM芯片。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的方法和电路，本发明在现有PWM芯片上附加一个混沌发生电路，实现混沌抑制EMI的方法，它无需改变系统原有拓扑、参数和控制环节。该方法只需增加少量的外围电路元件，不会明显增加设备体积和重量，不会对开关变换器的效率和性能带来任何负面影响，更不会给开关变换器构成的电源产品的制造增加任何不便。本发明通过如下技术方案实现：
利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的方法，该方法利用混沌发生电路提供的混沌信号，调节PWM芯片外围时钟电路的充放电时间，使PWM芯片的工作频率随着混沌信号的幅度发生改变，从而改变PWM芯片输出驱动信号的频率，将原来集中在开关变换器的开关信号频率倍频次谐波处的能量重新分配在较宽的频带内，实现抑制开关变换器EMI。
上述的方法中，PWM芯片的工作频率随着混沌信号的幅度发生改变是指在载波频率附近做类随机变化，PWM芯片输出的驱动信号频率也做类随机变化；所述混沌信号具有确定性系统的内在随机性，具有连续频谱特征。
利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，包括混沌发生电路、调制度控制电路和PWM芯片外围时钟电路，混沌发生电路的混沌信号输出端与调制度控制电路的输入端连接，调制度控制电路的输出端与PWM芯片外围时钟电路连接，混沌发生电路产生的混沌信号送至调制度控制电路，调制度控制电路通过调节混沌信号的强度，来改变开关频率的变化范围。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述混沌发生电路由非线性电容混沌电路构成。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述非线性电容混沌电路为三阶自治混沌产生电路。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述混沌发生电路包括一个线性负电阻，一个分段线性电容和一个由阻抗变换器构造的等效电感，线性负电阻与分段线性电容相并联，由阻抗变换器构造的等效电感与第二电容相并联，分段线性电容与阻抗变换器与一个可调电阻连成π型结构。通过调节可调电阻的阻值，使该混沌发生电路工作工作在周期1、周期2、……、单涡混沌和双涡混沌等不同的状态。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述线性负电阻包括第一运放和三个外围电阻，其中第一电阻和第三电阻分别跨接在第一运放的输出与同、反相输入端，第二电阻接在反相输入端与地之间。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述分段线性电容包括第二运放、第一电容、第四电阻和第四电阻，其中第一电容与第二运放反相输入端和输出相连，第四电阻跨接在第二运放同相输入和输出端之间，第五电阻连接在输入端和地之间。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，调制度控制电路包括比例控制电路和直流偏置电路；比例控制电路用于隔离混沌发生电路和PWM控制器，并通过改变比例系数，来改变混沌信号的最大频偏和调制度；直流偏置电路用于保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述比例控制电路为由第五运放构成的反向比例电路；直流偏置电路为由第六运放构成的同相加法电路，被加信号是所述反向比例电路输出和一个直流偏压，直流偏压要根据具体PWM芯片进行调整，保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。
上述利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路中，所述比例控制电路由第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第五运放组成，其中第十电阻与运放的同相输入端相接，第十一电阻和第十二电阻与第五运放的反相输入端相接，第十二电阻与第五运放的输出端相连；
所述直流偏置电路由第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第一直流电源和第六运放组成，其中第十六电阻分别与第五运放的输出端和第六运放的同相输入端相连，第十五电阻分别与第一直流电源和第六运放的同相输入端相连，第一直流电源与地相连，第十三电阻分别与地和第六运放的反相输入端相连，第十四电阻分别与第六运放的反相输入端和第六运放的输出端相连。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：
首先，本发明提出了混沌抑制开关变换器EMI的方法。通过混沌信号直接调节开关变换器专用PWM芯片时钟频率的充放电时间，使PWM芯片的充放电时间随着混沌信号的幅度发生改变，从而改变PWM芯片输出脉宽调制波的频率。由于混沌信号是确定性系统表现的内在随机性，具有连续频谱特征。利用混沌信号调制开关频率可以将原来集中在开关频率倍频谐波处的能量重新分配在较宽的频带内，从而起到抑制EMI的作用。同时，混沌频率调制改变的是PWM信号的实时频率，并不改变占空比，输出电压因此能保持恒定，输出纹波没有显著变化。本方法属于从机理上抑制开关变换器的EMI，无需增加其他的滤波电路，是一种EMI抑制效果好、成本低、适用性强、易于推广的开关变换器EMI抑制方法。
其次，本发明设计了混沌抑制开关变换器EMI的电路(原理如图I所示)，由混沌发生电路、调制度控制电路和PWM芯片外围时钟电路组成。混沌产生电路是一个三阶自治混沌电路，要求具有中心频率低、功耗低、结构简单和易于集成的特点，可以由最紧凑的蔡氏电路和非线性电容混沌电路构成。产生的混沌信号送至调制度控制电路，使用者可调节该电路的比例增益得到所需的最大频偏。根据不同PWM芯片的要求设置相应的外围时钟电路，用混沌信号改变PWM芯片时钟电路的充放电时间，从而获得混沌频率调制的PWM脉冲波输出。
附图说明
图1是实施方式中混沌抑制开关变换器EMI的电路原理图。
图2是实施方式中分段线性电容混沌电路原理图，左边虚线框部分组成了线性负电阻，右边虚线框部分组成了分段线性电容。
图3是图2右边虚线框所对应的分段线性电容的库伏特性曲线(纵坐标q为电量，横坐标v为电压)，其中每段等效电容的大小Ca和Cb与图2之间元件参数的关系是：Ca＝-(R3/R4)C0，Cb＝C0。
图4是图2中等效电感由阻抗变换器实现的电路。
图5是图2电路混沌输出时的时域波形和频谱分析图，双涡输出时，第二电容C2的电压vc2的时域波形，从原点0开始，对应的横坐标为为4ms/格，纵坐标为2V/格；FFT分析的波形，从原点0开始，对应的横坐标为1.25KHz/格，纵坐标为20dB/格，中心频率1.25KHz。
图6是实施方式中调制度控制电路。
图7是实施方式中混沌调制Boost变换器的实验波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
如图1所示利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，包括混沌发生电路、调制度控制电路和PWM芯片外围时钟电路，混沌发生电路的混沌信号输出端与调制度控制电路的输入端连接，调制度控制电路的输出端与PWM芯片外围时钟电路连接，混沌发生电路产生的混沌信号送至调制度控制电路，调制度控制电路通过调节混沌信号的强度，来改变开关频率的变化范围。
每个模块的功能及实现说明如下：
1)混沌发生电路(如图2)
混沌发生电路可以由蔡氏电路和非线性电容混沌电路实现。所述混沌发生电路包括一个线性负电阻，一个分段线性电容和一个由阻抗变换器构造的等效电感(L、RL)，线性负电阻与分段线性电容相并联，由阻抗变换器构造的等效电感与第二电容C2相并联，分段线性电容与阻抗变换器与一个可调电阻Rw连成π型结构。所述线性负电阻包括第一运放OA1和三个外围电阻，其中第一电阻R0和第三电阻R2分别跨接在第一运放OA1的输出与同、反相输入端，第二电阻R1接在反相输入端与地之间。所述分段线性电容包括第二运放OA2、第一电容C0、第四电阻R3和第四电阻R4，其中第一电容C0与第二运放OA2反相输入端和输出相连，第四电阻R3跨接在第二运放OA2同相输入和输出端之间，第五电阻R4连接在输入端和地之间。
图2设计了一个与蔡氏电路元件个数相同、同样紧凑结构的三阶自治混沌产生电路。由于分段线性荷控电容消耗功率更低，该电路较由分段线性电阻构成的蔡氏电路更优。该电路仅由电容、电阻和运放构成，其中第一运放OA1和第一至第三电阻(R0～R2)构成线性负阻(等效阻值为-2R0)，第二运放OA2、第一电容C0和第四至第五电阻(R3～R4)组成分段线性电容。图3为分段线性电容的等效库伏特性曲线，其分段等效电容分别为：Ca＝-(R3/R4)C0，Cb＝C0。图4是图2中等效电感(L+RL)的具体实现，由第六至第九电阻(R5～R8)、第三电容C3、第三运放(OA3)和第四运放(OA4)组成。调节第一可调电阻Rw的值，电路会出现周期1、周期2、……单涡混沌吸引子和双涡混沌吸引子各种丰富的非线性行为，图5为双涡输出时vc2的时域波形和FFT频谱分析，从频谱来看，输出是一个中心频率为1.25kHz的连续频谱，低于蔡氏电路的3.5kHz，在相同频偏的情况下，可获得更大的调制度。等效电感L由阻抗变换器构成，如图4，等效电感L＝R5R7R8C3/R6。电路中运放均采用LF353。
2)调制度控制电路(如图6)
调制度控制电路由一个比例控制电路和直流偏置电路组成，通过调节混沌信号的强度，来改变开关频率的变化范围，调制度控制电路包括比例控制电路和直流偏置电路；比例控制电路用于隔离混沌发生电路和PWM控制器，并通过改变比例系数，来改变混沌信号的最大频偏和调制度；直流偏置电路用于保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。比例控制电路为由第五运放X1构成的反向比例电路；直流偏置电路为由第六运放X2构成的同相加法电路，被加信号是所述反向比例电路输出和一个直流偏压，直流偏压要根据具体PWM芯片进行调整，保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。比例控制电路由第十电阻R9、第十一电阻R10、第十二电阻R11和第五运放X1组成，其中第十电阻R9与运放的同相输入端相接，第十一电阻R10和第十二电阻R11与第五运放的反相输入端相接，第十二电阻R11与第五运放的输出端相连；直流偏置电路由第十三电阻R12、第十四电阻R13、第十五电阻R14、第十六电阻R15、第一直流电源V1和第六运放X2组成，其中第十六电阻R15分别与第五运放X1的输出端和第六运放X2的同相输入端相连，第十五电阻R14分别与第一直流电源V1和第六运放X2的同相输入端相连，第一直流电源V1与地相连，第十三电阻R12分别与地和第六运放X2的反相输入端相连，第十四电阻R13分别与第六运放X2的反相输入端和第六运放X2的输出端相连。
如图6所示。其中比例控制电路由第五运放X1和第十至第十二电阻(R9～R11)构成，其功能之一是隔离混沌产生电路和PWM控制器，功能之一是改变比例系数，即改变最大频偏和调制度；直流偏置电路由第六运放X2、第一直流电源V1和第十三至第十六电阻(R12～R15)，其中第一直流电源V1提供直流偏压，要根据具体芯片进行调整(在本实施中，采用UC3842PWM芯片，第一直流电源V1为5V)，原则是保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。本调制度控制电路的输出直接与UC3842PWM芯片的RT/CT端相连，通过改变时钟电路的充放电电流来调节系统时钟频率，芯片原外围时钟电路保持不变。电路中运放均采用LF353。
图7是混沌调制Boost变换器的实验波形，PWM芯片采用UC3842，开关频率为75KHz。上图原点从R开始，为混沌调制前驱动信号的频谱，下图原点从M开始，为混沌调制后驱动信号的频谱。对应的横坐标为62.5KHz/格，纵坐标为20dB/格。从调制前后驱动信号的频谱可以看出，混沌频率调制后开关频率各次谐波明显得到了拓宽，谐波峰值均有一定程度的降低，在谐波阶次较高时，基本看不到谐波尖峰的存在。调制后在开关频率上的谐波峰值降低8dB以上，而在某些较高次谐波上甚至有15dB以上的衰减。利用混沌信号调制开关频率可以将原来集中在开关频率倍频谐波处的能量重新分配在较宽的频带内，从而起到抑制EMI的作用。

Claims (10)

1.利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的方法，其特征在于，利用混沌发生电路提供的混沌信号，调节PWM芯片外围时钟电路的充放电时间，使PWM芯片的工作频率随着混沌信号的幅度发生改变，从而改变PWM芯片输出驱动信号的频率，将原来集中在开关变换器的开关信号频率倍频次谐波处的能量重新分配在较宽的频带内，实现抑制开关变换器EMI。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于PWM芯片的工作频率随着混沌信号的幅度发生改变是指在载波频率附近做类随机变化，PWM芯片输出的驱动信号频率也做类随机变化；所述混沌信号具有确定性系统的内在随机性，具有连续频谱特征。
3.利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于包括混沌发生电路、调制度控制电路和PWM芯片外围时钟电路，混沌发生电路的混沌信号输出端与调制度控制电路的输入端连接，调制度控制电路的输出端与PWM芯片外围时钟电路连接，混沌发生电路产生的混沌信号送至调制度控制电路，调制度控制电路通过调节混沌信号的强度，来改变开关频率的变化范围。
4.根据权利要求3所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述混沌发生电路由非线性电容混沌电路构成，所述非线性电容混沌电路为三阶自治混沌产生电路。
5.根据权利要求4所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述混沌发生电路包括一个线性负电阻，一个分段线性电容和一个由阻抗变换器构造的等效电感(L、RL)，线性负电阻与分段线性电容相并联，由阻抗变换器构造的等效电感与第二电容(C2)相并联，分段线性电容与阻抗变换器与一个可调电阻(RW)连成π型结构。
6.根据权利要求5所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述线性负电阻包括第一运放(OA1)和三个外围电阻，其中第一电阻(R0)和第三电阻(R2)分别跨接在第一运放(OA1)的输出与同、反相输入端，第二电阻(R1)接在反相输入端与地之间。
7.根据权利要求5所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述分段线性电容包括第二运放(OA2)、第一电容(C0)、第四电阻(R3)和第四电阻(R4)，其中第一电容(C0)与第二运放(OA2)反相输入端和输出相连，第四电阻(R3)跨接在第二运放(OA2)同相输入和输出端之间，第五电阻(R4)连接在输入端和地之间。
8.根据权利要求3～7任一项所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于调制度控制电路包括比例控制电路和直流偏置电路；比例控制电路用于隔离混沌发生电路和PWM控制器，并通过改变比例系数，来改变混沌信号的最大频偏和调制度；直流偏置电路用于保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。
9.根据权利要求8所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述比例控制电路为由第五运放(X1)构成的反向比例电路；直流偏置电路为由第六运放(X2)构成的同相加法电路，被加信号是所述反向比例电路输出和一个直流偏压，直流偏压要根据具体PWM芯片进行调整，保证PWM芯片产生的锯齿波幅度在芯片正常工作范围内。
10.根据权利要求8所述的利用PWM芯片混沌抑制开关变换器EMI的电路，其特征在于所述比例控制电路由第十电阻(R9)、第十一电阻(R10)、第十二电阻(R11)和第五运放(X1)组成，其中第十电阻(R9)与运放的同相输入端相接，第十一电阻(R10)和第十二电阻(R11)与第五运放的反相输入端相接，第十二电阻(R11)与第五运放的输出端相连；
所述直流偏置电路由第十三电阻(R12)、第十四电阻(R13)、第十五电阻(R14)、第十六电阻(R15)、第一直流电源(V1)和第六运放(X2)组成，其中第十六电阻(R15)分别与第五运放(X1)的输出端和第六运放(X2)的同相输入端相连，第十五电阻(R14)分别与第一直流电源(V1)和第六运放(X2)的同相输入端相连，第一直流电源(V1)与地相连，第十三电阻(R12)分别与地和第六运放(X2)的反相输入端相连，第十四电阻(R13)分别与第六运放(X2)的反相输入端和第六运放(X2)的输出端相连。
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