频率抖动技术抑制开关电源噪声仿真研究

王翠珍，丁国臣，邵 红，杨晓霞

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

0 引 言

随着机载电子设备的种类和数量不断增加，电子设备的运行速度不断提高，由于机上空间有限，体积要求越来越小，因此设备中的电源多用开关电源取代线性稳压电源。开关式稳压电源重量轻、体积小且效率高，能够有效适应当今电子设备高密度和高集成度的要求，但与线性稳压电源相比其结构较复杂，噪声较大。为了使机载设备能实现更好的电磁兼容，必须设法减少开关电源的噪声。

1 开关电源的噪声来源

开关电源是通过调整控制开关元件通断的方波控制信号的占空比实现输出电压的稳定。由于开关电源是使用20 kHz以上的频率控制功率开关管工作的，电源电路内的电压和电流变化很大，产生很大的浪涌电压脉冲和其他各种谐波噪声，形成一个强烈的干扰源[1]。这个噪声源非常容易在开关电源内外产生如公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合以及电磁辐射耦合等噪声的传播。这些噪声主要分为3类：一是返回噪声，即返回到电网中的噪声，这种噪声对接在电网中的其他电子设备会产生强烈的干扰；二是输出噪声，将其输出到供电的电子电路将影响其正常工作；三是辐射噪声，高频噪声以电磁波的方式辐射出去，干扰其他电路的正常工作。这些内部噪声的来源如图1所示。

图1 内部噪声示意图

2 开关脉冲控制信号的频谱特点

2.1 脉冲控制信号的数学表达式

根据开关电源的基本原理，功率开关管的控制信号是方波信号，其在一个周期内的表达式为：

式中，τ是脉冲控制方波信号占空比；T是周期。因该控制信号为周期函数，所以可以用傅里叶级数展开，即：

从式（2）可以看出，频率为f的脉冲控制信号中，不仅有频率为f的正弦信号，还有频率为2f、3f等高次谐波信号。这些频率分量中，幅度较大的谐波分量都将对电路造成干扰，而幅度很小的谐波分量对电路的干扰可以忽略，谐波分量幅度越强，干扰就越强。

要解决开关电源中的脉冲控制信号对电路的干扰问题，就必须了解脉冲控制信号参数对信号频谱分量数量和幅度有何影响，设法将这些影响减到最小，甚至消除。

2.2 脉冲控制信号的频谱分析

借助于Multisim仿真软件研究脉冲控制信号中谐波的频谱分布及占空比等参数对谐波信号频率和幅度的影响。在Multisim上，利用函数发生器模拟方波信号（频率20 kHz，振幅20 V）输出，用光谱分析仪测量方波信号的频谱，如图2所示。调整脉冲控制信号的占空比，可以测量出不同占空比时脉冲控制信号的频谱不同，直流分量、基波以及各次谐波信号的幅度随占空比的变化而变化，200 kHz频率范围内频谱分量的具体变化情况如表1所示。

图2 占空比为50%的方波信号频谱图

表1 不同占空比的谐波数量与幅度的数据表

当占空比为50%时，谐波数量最少（没有偶次谐波），基波幅值较高，但谐波幅值较低。随着占空比的增多或者减小，谐波频率增多，谐波强度也随之增加，并且占空比相加为1（如占空比为10%和90%、35%和65%等）的两个脉冲控制信号的频谱分布规律相同。从抗干扰的角度来看，希望谐波频率分量数量少、幅值低，谐波频率分量数量少，开关电源的干扰源就减少。当谐波频率分量幅度很低的时候，其强度就无法对电路构成干扰，在选择方波控制信号时，占空比为50%最佳。

因为脉冲宽度调制型开关稳压电源的输出电压稳定是靠调整占空比来实现，所以脉冲控制信号的占空比会随着输出电压的变化而变化，这样其谐波的数量和幅度就会随着占空比的变化而变化，谐波干扰不可避免。

3 频率抖动技术降低电磁干扰

借助扩谱通信的概念，用频率抖动技术对控制脉冲进行扩谱，使得谐波频率的幅度得到衰减，减弱干扰源的信号强度[2-4]。

利用正弦波或者锯齿波等信号对控制脉冲信号进行频率调制实现扩谱[5]。首先利用调频信号源输出调频信号，示波器和光谱分析仪分别对信号波形和频谱进行分析，调频信号的调制信号为1 kHz的正弦波、载波是20 kHz的正弦波，该信号经过D1和D2两个性能相同的稳压二极管限幅得到调频方波信号。FM信号限幅产生调制方波信号仿真电路与图形如图3所示。图中，调频信号的调制指数为1，调频信号经双向限幅得到的调制方波，其频谱类似占空比为50%的方波信号的频谱，但原基波和谐波处谱线的高度略有下降，且不再纯净，周围谱线增多，在高次谐波分量处谱线数量增加更为明显。

图3 FM信号限幅产生调制方波信号仿真电路与图形

将调制指数调整为10和100，仿真信号波形如图4所示。从光谱分析仪的仿真结果可以测出，图4（a）中调制指数为10时，方波谱线数量更多，幅度明显下降，幅度较高的谱线主要分布在6 kHz到32 kHz的频率范围内。而调制指数为100时，谱线主要分布在122 kHz以内的范围内，幅度较低且比较均匀，如图（b）所示，说明能量基本均匀分布。可见，调制指数的提高会引起方波信号频谱的扩展，增加谐波分量数量的同时谐波信号幅度下降，导致能量基本均匀分布。图中调频方波信号频率随着调制信号规律发生变化，频率不再是恒定的值，实现频率抖动。仿真验证，频率抖动技术在扩展频谱的同时降低谐波分量的幅度，当谐波分量的幅度降到电子设备的可接受范围内不影响电路的正常工作。

图4 调制方波信号频谱图

4 结 论

本文分析了开关电源中控制方波信号的频谱，研究了其谐波频率的分布规律，针对控制方波中低次谐波幅度较高，可对电路噪声造成干扰的实际情况，提出用调制方波作为开关电源中功率元件开关的控制信号，并用仿真软件对该信号进行仿真分析。分析结果表明，调制方波可以有效实现控制方波信号频谱扩展，降低各次谐波的幅度，使其对电子电路和设备造成的干扰可以忽略。