杨建宇(沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142)

0 引言

近年来，信息和通信设备以及个人计算机被广泛使用。作为电子系统的核心，开关器件中所采用的半导体开关器件的开关变化产生的噪声非常突出，由此引起的电磁干扰(EMI)问题会使系统无法满足电磁兼容标准规范要求，乃至开关器件不能正常工作，并且对其他电路器件造成影响。开关电源设备因为其电路当中的整流电路、高频变压器和整流二极管等一些元件在工作中会出现瞬变的高电压及大电流，由于这些元件中电压和电流的突然变化，开关电源已成为高频干扰源，导致系统中存在许多电磁兼容性问题[1]。

如果在电源内部形成电磁干扰，会直接辐射到其他线路，将不可避免地导致电网和其他电气设施的故障，影响运营质量。与此同时，电磁辐射会对周围环境造成破坏，危害动植物和人类健康，也容易引起动植物基因突变而导致不良的健康后果，甚至危及生命。此外，电磁辐射对人体中心神经系统也会造成极大影响，导致人体出现神经系统紊乱等症状[2]。

由于开关电源的重要性和特殊性，被列为我国首批实施进出口电磁兼容强制监管的六大产品之一。因此，解决开关电源的电磁兼容问题是促进开关电源应用和发展的重要措施。众所周知，电磁兼容性研究中有这么一个公式EMC=EMS+EMI，所以要想解决电磁兼容性问题，首先要解决电磁干扰。EMI 噪声包括发射到空气中的电磁噪声和输入电流线中的传导噪声[3]。

降低开关转换器中的噪声是目前生产中需要解决的关键问题。降低开关转换器中的噪声有很多方法，例如对噪声进行滤波和屏蔽，但是这种方法存在实际费用较高，电路复杂的缺点。在本文中，我们针对脉冲编码调制(PWM)的开关转换器提出了有效的EMI减低方法，首先对基本降压转换器进行仿真分析，得到控制电路波形及仿真频谱，基本降压转换器不经过降噪处理系统噪声很大，而EMI减低是本文讨论和解决的主要目的。我们对控制电路进行改进，控制部分采用扩展频谱时钟技术得到相应控制电路波形和频谱，之后将电源部分替换成SEPIC电路，实现了升降压转换器的电磁干扰减低得到的结果实现了我们最终实验目的。

本文我们将采用LTspice仿真软件对以上提及的基本降压转换电路，运用扩频时钟技术的降压转换电路和SEPIC转换器电路进行仿真处理。

1 传统降压型开关转换器

1.1 基本降压型开关转换器

图1为使用脉冲宽度调制(PWM)方法的基本降压型开关转换器。基本降压型开关转换器由功率级、控制级和负载电阻组成。功率级由主功率开关SW、电感L、续流二极管D和电容C组成。控制级由运算放大器(OP-amp)、参考电压源Vr、比较器和锯齿生成器组成。

图1 基于PWM控制的基本降压转换器原理图

SW由比较器提供的 PWM 脉冲控制。当 SW 为ON模式时(PWM 脉冲为 High 模式)，电感电流Ion从电源V1(电压为Vi)流入C和R并稍微增加，使输出电压Vo上升。当PWM为Low且SW为OFF模式时，Ioff流经D，并减小使Vo下降。输出电压Vo与Vr比较并放大得到放大误差电压ΔV。将此ΔV与锯齿信号SAW进行比较以产生PWM 脉冲。

基本降压转换器的仿真参数为：输入电压12 V，输出电压5 V，输出电流2 A，开关频率100 kHz,电感100 μH。降压型转换器的电压转换比M等于式(1)的PWM脉冲的占空比：

随着大功率开关信号速度的增加，会产生较大的噪声。降压型开关转换器中的PWM信号频谱如图2所示，在开关频率0.2 MHz、0.3 MHz、0.4 MHz……等位置各对应一个峰值6 dB、10 dB、5 dB……代表此处噪声值。图2说明信号输出端的频谱峰值(噪声值)很高，所以我们采用扩展频谱时钟技术降低噪声。

图2 基于PWM控制的基本降压转换器的驱动频谱

2 扩展频谱时钟技术降低峰值噪声

开关转换器中，占空比影响输出电压。占空比在系统稳态工作状态下保持恒定，而电磁干扰产生于开关的开通和关断瞬间，由于电磁干扰出现的间隔和开关频率始终保持一致，因此此时出现的噪声为开关频率的谐波。这些噪声的能量集中出现在特定的频率上，并表现出较大的频谱峰值。若能把这些能量分散在较宽的频带上，则能够达到噪声值减低的目的，这就是频率控制的思想。

扩展频谱时钟技术是通过频率调制的手段把集中在窄频带范围内的能量分散到设定的宽频带范围，通过降低时钟在基频和奇次谐波频率的幅度(能量)，达到降低系统电磁辐射峰值的目的。所以为了降低时钟噪声，考虑在图1中通过改变时钟频率来使用时钟脉冲调制扩展频谱，如图3所示。

图3 扩频时钟技术Buck电路原理图

要在LTspice中仿真扩频降压型转换电路，关键是VCO的模型，在LTspcie中没有现成的VCO模型，首先就需要建模，其中VCO的输出频率Fck由式(2)表示：

VCO模型中的几个参数分别代表的含义为：Fcenter为VCO的中心频率点；Frange为频率的变化范围；Vmin为最低的输入电压；Vmax为最大的输入电压；phase为相位。按照参数设定，就是在输入电压小于等于1 V时，VCO产生的三角波的频率为80 kHz，在输入电压1～5 V之间时，频率随输入电压线性变化，1 V 时对应最低频率点80 kHz，3 V时对应中心频率点100 kHz, 5 V时对应最高频率点120 kHz，输入电压大于5 V时，VCO的输入电压保持最高频率120 kHz。

对该模型进行仿真，得到如图4通过时钟调制的PWM信号频谱。由于时钟频率1 MHz的能量及其高频谐波会扩散到其他频率，因此时钟频谱的峰值水平可以减低，这就是利用扩展频谱时钟技术减低电磁干扰的一种方法。

图4 扩展频谱时钟技术Buck电路频谱

对比图2和图4频谱来看，相比于普通的基本Buck转换器，采用扩展频谱时钟技术的驱动电路的频谱比基本Buck拓扑的幅值低，基波频率基本上低了10 dB左右。

3 SEPIC变换器中的EMI噪声抑制

在汽车应用中，汽车器件的输入功率波动较大。因此，汽车装置的电源电路需要支持宽范围的输入电压。Buck-Boost转换器是一种处理大范围输入电压的方法。在该方案中，将扩展频谱时钟技术应用于复合Buck-Boost转换器：SEPIC转换器，以降低EMI噪声。SEPIC转换器是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC-DC变换器。SEPIC转换器电路原理图如图5所示。

前面首先对基本Buck电路的PWM控制做出了仿真，在图2中可以看出，在频率0.2 MHz开始每间隔0.1 MHz都显示出很高的噪声值，其后，对控制电路部分采用线性扫描技术，得到结果图4，可以看出噪声值降低了10 dB左右，接下来将基本Buck电路的电源部分替换成SEPIC电路作为参考，并进行仿真。如图5所示，将基本Buck电路的电源部分替换成SEPIC电路，前面将基本Buck电路的控制部分加入压控振荡器实现对控制电路改装，利用扩展频谱技术对电路进行了仿真，所以下面在不变动控制电路的基础上，改变电源部分电路，进行仿真分析，仿真结果如图6所示。

图5 SEPIC变换器电路原理图

如图6所示，从频率0.2 MHz开始，每增加0.1 MHz对应的频谱峰值(噪声值)为-4.0 dB、-3.0 dB、0.8 dB……从仿真频谱可以看出单一将电源电路替换成SEPIC转换器电路对噪声达到的减低效果有限，下面将电源部分电路替换成SEPIC电路，在控制部分加入压控振荡器，采用扩展频谱时钟技术对电路进行进一步的仿真，若得到的仿真结果相比仅改变电源电路的对照组有明显的噪声减低，说明本文提出的EMI减低方法可行。如图7所示为扩频SEPIC仿真图。

图6 SEPIC变换器电路仿真频谱图

图7 扩频SEPIC转换器电路仿真图

如图7所示，将电源电路替换成了SEPIC变换器，并对控制部分采用了扩频时钟技术，其仿真结果如图8所示。

如图8所示，从频率0.2 MHz开始，每增加0.1 MHz对应的频谱峰值(噪声值)为-10 dB、-10 dB、-6 dB……由此可见，将电源电路替换成SEPIC转换器电路并对控制部分进行扩展频谱时钟技术之后，SEPIC转换器的扩频驱动电路相比对照组SEPIC转换器电路的EMI减低效果更好，相比基本BUCK电路，有效降低了系统噪音，达到实验目的。

图8 扩频SEPIC转换器电路仿真频谱

3 结语

综上图2、图4、图6、图8所示，对于EMI减低，先对基本降压转换电路进行了仿真，从得到的结果可知基本降压转换电路存在噪声值大的缺点，这对日常生产生活造成很大影响。之后以相同参数采用线性扫描技术对基本Buck电路控制部分进行改造，得到结论为采用扩展频谱时钟技术的降压转换电路的频谱比基本降压转换电路的幅值低，基波频率基本上低了10 dB左右。通过仿真可知线性扫描技术对基本降压转换电路的EMI减低有明显效果。随后保持参数不变，对基本降压转换电路的电源部分进行替换，替换成SEPIC转换器电路后的结果显示，基本SEPIC转换器对基本降压转换电路的EMI减低效果有限。最后将电源部分替换成SEPIC转换器，控制电路采用扩频时钟技术，同样采用相同参数进行仿真，得到仿真结果可以看出相比基本SEPIC转换器电路，有效降低了幅值，达到减低系统噪声的实验目的。