文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)06-0063-04
開關電源中電流和電壓信號的快速變化導致了嚴重的電磁干擾。隨著對工業(yè)和日常生活中電子與電氣設備電磁干擾的日愈廣泛關注，如何有效抑制電磁干擾引起了廣泛的研究，許多研究者已經提出了一些方法抑制電磁干擾[2-4]。由于混沌信號具有偽隨機、連續(xù)頻譜的特性，通過混沌調制擴展頻譜可以抑制電磁干擾[5-7]。
混沌化擴展開關電源PWM的頻率能有效擴展能量頻譜，證實了能有效減少電磁干擾，已有廣泛報道[8-9]。本文首次提出混沌化調制PWM的占空比的控制方法。首先進行了混沌化占空比控制抑制EMI的理論分析，并結合半橋拓撲開關電源設計了具體方案，給出了仿真波形，進行關鍵信號在混沌控制的脈寬調制(CPWM)與常規(guī)的脈寬調制（PWM）情況下的對比，然后給出了樣機進行EMI傳導干擾測試結果的波形，最后得出結論。
1 混沌化占空比控制
在混沌化占空比控制中，保持開關電源PWM信號的頻率為常數(shù)，僅占空比發(fā)生變化且為混沌變化。則開關變換器PWM的占空比控制策略為：
式中，d0為PWM基準開關占空比；Δd為PWM占空比的偏移量；u1為決定基準開關占空比的固定電壓；u2為混沌信號電壓，它決定了PWM附加占空比Λd的變化規(guī)律。
PWM脈沖波形如圖1所示，其中dk為PWM脈沖的占空比，在混沌化占空比控制中，這個值是混沌變化的；Ts是脈沖的周期；A為脈沖的幅值。PWM波形函數(shù)用u(t)表示，則在一個周期內的定義如下[10]：
因dk是脈沖的占空比，其值在0～1之間，不是固定值且按混沌規(guī)律變化，根據混沌信號的偽隨機性，式（4）中混沌化占空比后的PWM波形的功率譜密度連續(xù)化，能量并不集中在特定的頻率點，而是在整個頻率范圍上進行能量分布。
2 半橋開關變換器應用方案
標準半橋開關變換器的主電路有兩個上下對稱的功率開關管。經過功率輸出變壓器可以實現(xiàn)一路或多路直流輸出，廣泛應用于100 W以上中功率的開關電源上，如計算機電源。該拓撲必須防止兩管的直通現(xiàn)象，即對兩路PWM信號要進行死期控制。
對半橋拓撲實現(xiàn)混沌PWM控制，其系統(tǒng)一般包括：產生混沌PWM的模塊、輸出誤差采樣與處理模塊、PWM分配與驅動電路，還必須有用于防止兩管直通的死期控制。控制原理框圖如圖2所示。圖中，鋸齒波發(fā)生器產生的是固定頻率信號的鋸齒波信號。
運算放大器的輸出ua可由下式計算得到：
運算放大器的輸出電壓ua與鋸齒波發(fā)生器的輸出uramp兩者通過比較器C2得到PWM波的脈沖信號。由于uramp是頻率固定、幅值固定的鋸齒波信號，故PWM波的占空比變化取決于ua的變化。式(7)中ua由常量部分k(b-aU)和混沌變化量部分k(a1uch-aΔu)兩部分構成，能實現(xiàn)式(1)所表述的混沌化占空比控制的策略。即：
3 仿真及測試結果
參考實際應用的半橋拓撲開關電源電路，借助常用的PWM專用芯片TL494來進行仿真，TL494內部已具備死期控制、鋸齒波產生電路[11]，結合前述方案建立仿真電路模型，如圖3所示。
圖3中模塊m1是混沌振蕩器，最近幾十年混沌振蕩器被廣泛地展開研究[12]。在現(xiàn)有的混沌振蕩器中，蔡氏電路、羅倫茲電路以及陳氏振蕩器是最出名的。考慮到簡單性和成熟度，在此處采用了蔡氏電路來產生混沌信號。
取蔡氏電路中C22兩端的電壓即u2作為混沌信號uch，模塊m2主要實現(xiàn)對兩路輸出直流電壓的反饋，經過采樣電阻Rs1、Rs2得到采樣電壓接到運算放大器的反相端。模塊m3引入平移的電平，然后通過模塊m4實現(xiàn)對混沌信號uch的線性放大及平移處理。模塊m4的輸出端接到PWM控制芯片TL494的管腳3，即反饋信號端ucomp。由于正常工作時該管腳被要求在[0.5，3.5]V，故通過運算放大器把信號uch=u2線性放大并平移得到ua，使其取值范圍為[0.5，3.5]。
3.1 仿真結果
運用軟件Saber Ver. 2008建模并仿真，把常規(guī)PWM控制與混沌PWM控制的仿真結果進行對比。仿真電路相關元件的參數(shù)如下：
通過對半橋拓撲開關變換器進行仿真得到常規(guī)PWM控制及混沌化占空比控制的PWM波形結果，分別如圖4和圖5所示。對比圖中開關管PWM波的FFT波形可以看出，常規(guī)PWM控制下能量集中在基波及諧波頻率點處，而在混沌化占空比控制下，基波及諧波頻率點的幅度明顯降低，能量被擴散。
進一步對高頻變壓器原邊繞組電壓及多路輸出支路的電感電流等關鍵信號進行仿真測試并得到FFT波形，如圖6所示。每個子圖的上曲線是常規(guī)PWM控制時相應信號的FFT波形，在基波及多次諧波的頻率點具有明顯尖峰；每個子圖的下曲線是混沌化占空比控制時相應信號的FFT波形，基波及諧波點處的幅值被削弱。
3.2 EMI測試
為了驗證仿真結果，把前述的混沌化占空比方案運用到計算機電源ATX2.0的實物上，外接混沌信號產生模塊，經過運算放大器處理后通過特定管腳接到該電源已有的PWM芯片TL494上。使用型號為ROHDE&SCH-WARZ ESIB26 20 Hz～26.5 GHz的儀器對該實物進行傳導干擾的測試。參考測試標準為CISPR標準，設定測量范圍為0.15 MHz～2 MHz，帶寬設定為200 Hz，步長為100 Hz，進行常規(guī)PWM控制和混沌化占空比兩種狀態(tài)下的測試。測試結果如圖7所示。經過圖6(a)、(b)兩個子圖的比較可以看出，在混沌化占空比的狀態(tài)下，尖峰和紋波明顯減少，最高的峰值下降了5 dB以上，其他很多峰值下降幅度超過10 dB，在整個頻帶上曲線變得平滑，從而降低了開關電源產生的干擾。
理論上證明混沌化占空比控制用于直流變換器可以擴展開關電源能量的頻譜，從而可以抑制電磁干擾。本文針對半橋拓撲開關電源的實際應用設計了控制方案。為了驗證混沌化占空比控制在直流變換器電磁干擾抑制方面的有效性，采用一個實際的開關電源產品，即臺式計算機電源ATX2.0，針對該電源系統(tǒng)的PWM控制特點，通過外接混沌信號電路，實現(xiàn)了系統(tǒng)的混沌控制。仿真得到高頻變壓器及電感的關鍵信號的波形。FFT波形表明了信號的高次諧波的幅度得到了削減，并且通過實測證明了由高次諧波引起的電磁干擾EMI得到了抑制。
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