有效降低开关电源EMI的电路设计

　　由于开关电源在体积、质量、功率密度、效率等方面的诸多优点,所以它已经被广泛地应用于工业、国防、家用电器等各个领域.但开关电源中的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)严重地污染了电网,影响了邻近电子设备的正常工作[1].因此,尽量降低开关电源的EMI,以进一步扩大其使用范围,是开关电源设计人员必须考虑的问题.开关电源产生EMI的根本原因是开关元件受频率恒定的时钟信号控制,在其工作过程中的电流变化率和电压变化率非常大.这种控制方式使得开关电源的EMI频谱主要分布在基波频率和谐波频率上[2].

　　为了抑制开关电源产生的EMI,可以通过调制(PWM)开关信号,将集中在基波频率和谐波频率上的谱能量分散到边带频率上,减小最大谱峰值,从而使开关电源可以较为容易地通过EMI的相关规定[3].当然,通过使用复杂的噪声滤波器和防护罩可以降低开关电源EMI,但这样会增加系统的成本和尺寸.相对而言,频率调制的方式具有硬件需求小、成本低、功耗低、使用范围广、灵活性强等[4]优点.作者介绍了频率调制的原理,基于此原理设计了一种有效降低开关电源EMI的电路结构.

　　1　频率调制的基本原理

　　当周期信号满足狄里赫利(Dirichlet)条件时,可以分解成一系列正弦信号之和,即

式中:a0/2为直流分量;an,bn为傅里叶变换的系数;n表示第n次谐波;ω为角频率. T为信号的周期.开关电源中的时钟信号和PWM信号是一个周期性的方波信号,且满足狄里赫利条件,设开关电源的时钟信号为f(t),如图1所示.

　　由式(5 )可知,对时钟信号f(t)的频率调制等效于对正弦信号的频率调制,然后再叠加.因此,可以通过分析正弦信号频率调制的特点,推导出对时钟信号f(t)进行频率调制的特点.一般来说,一个被调制的正弦信号在时域的表达式为

式中:kω是控制最大频偏的因子,称为最大频偏因子;vm(t)是用于频率调制的函数表达式.函数vm(t)的表达式有多种,既可以是随机的,也可以是预先设定好的.最具代表性的3种基本频率调制方式为:正弦波调制,三角波调制和指数调制,3种调制方式的调制图形如图2所示.

　　用于表征调制信号的参数主要有调制指数mf和调制率δ,它们的表达式分别为

　　当调制方式确定后,边带谐波中的谱峰值将取决于调制指数mf的大小,且mf越大,谱峰值越小;mf越小,谱峰值越大[5].正弦波调制前及分别经过3种基本频率调制方式调制后的频谱示意图如图3所示(其中fc=64 kHz,fm=250 Hz,mf=40,δ=15·6%).

　　由图3可知,这3种调制方式的共同特点是它们都展宽了正弦波的频谱,并且降低了谱峰值.但又有各自的特点: