不同混沌调制信号对降低开关电源EMI水平效果的影响

以一个能产生混沌、超混沌、亚超混沌与超混沌信号的电路为信号源,以Boost型DC/DC变换器为对象,研究混沌的性质(混沌、亚超混沌以及超混沌)对降低开关电源电磁干扰水平效果的影响。仿真结果表明:不同性质的混沌序列,有不同的降低Boost型变换器的电磁干扰水平的效果。

开关调制信号的特性影响降低电磁干扰水平的效果。相应地,不同的混沌信号也会对降低电磁干扰水平的效果产生影响。本文以一个能产生混沌、亚超混沌与超混沌信号的电路为信号源,以Boost型DC/DC变换器为对象,研究不同混沌调制信号对降低开关电源电磁干扰水平效果的影响,为生成混沌开关调制信号的混沌信号源优化选择提供参考依据。

电路及其混沌调制信号

“超混沌电路”由5个线性元件和一个非线性电容元件组成。其电路如图1(a)所示。图1(b)为非线性电容元件的库伏特性。

对图1(a)中电路,取非线性电容C1极板上的电荷q1、流过电感L1中的电流il1、线性电容C2两端的电压uC2以及流过电感L2的电流iL2作为状态变量,并对其进行归一化处理后有

当电路归一化参数取b=0.5369、c=0.3725、d=0.0354、e=0.5890、f=0.8489,a作为分岔参数改变。当分岔参数a∈(0.05,0.15)时,电路先后输出超混沌、亚超混沌及混沌信号。本文选取该参数范围内3种性质的混沌信号作为信号源,按照文献中生成混沌开关调制信号的原理,获得混沌开关调制信号。

根据文献,混沌开关调制信号有表1以标准PWM为参照的4种调制模式。即标准PWM脉的参数由混沌序列调制的“混沌脉冲宽度调制”(CPWM)、“混沌脉冲位置调制”(CPPM)、“定占空比混沌载频调制”(CCFMFD)以及“变占空比混沌载频调制”(CCFMVD)。各种调制模式的具体调制过程为:对CPWM模式,开关导通时间由Ton=T/2+(x(n)-x)T/k决定,k=2;对CPPM模式,开关延迟时间位于;对CCFMVD模式,与CPWM一样,使开关导通时间Ton=T/2+(x(n)-x)T/k随混沌序列变化,开关断开时间为0.5T,由于导通时间变化,断开时间固定,周期变化,占空比不定;对CCFMFD模式,每一个开关周期T(n)=T+(x(n)-x)T/k都是变化的,开关的占空比固定。两种混沌载频调制模式下k=2,占空比或平均占空比均为0.5。

混沌信号调制下Boost型变换器电磁干扰水平分析

Boost型变换器电路如图3所示。用于计算机模拟的电路中,取电源电压Vin=10V、电感L=1mH、电容C=12μF。按前述方式生成的各种混沌开关调制信号的平均频率为10kHz,平均占空比取为0.5。为对比,文中所给出的结果均以占空比等于0.5的标准PWM为比较对象。为保证结果的可靠性,模拟中使用的软件已应用标准电路结果进行了校验。

大量的计算机模拟表明,不论是使用混沌还是超混沌信号生成混沌开关调制信号,都可以降低Boost型变换器输入电流的谐波谱峰值,但不同的混沌调制模式有不同的频谱扩展结果。在相同输出电压条件下,以标准PWM模式为参考,将4种混沌调制模式进行横向比较可以得到:谐波峰值平均降低量以CCFMFD模式为最大,CCFMVD模式次之,CPWM模式效果最差。这与文献使用“蔡氏电路”双涡卷混沌序列调制模式下对Buck型变换器进行计算机模拟所得结果一致。就同一种开关调制模式而言,不同性质混沌对CCFMFD模式的影响如表2所示。即在电路参数、输出直流电压、调制模式都相同的情况下,仅仅改变调制信号的性质得到的结果。

从表中给出的以标准周期PWM前19次谐波为参照的数据可以看出,分别在混沌、亚超混沌及超混沌信号调制下,各次谐波对应处的频谱数值都得到了明显的降低。在混沌信号调制下,谐波对应处的频谱数值平均降低14.87分贝(dB);在亚超混沌信号调制下,谐波对应处的频谱数值平均降低16.84分贝(dB);在超混沌信号调制下,谐波对应处的频谱数值平均降低17.86分贝(dB)。若以欧盟(89/336/EEC指令)电磁兼容性导则中限制设备输入电流谐波分量最大值幅度这一原则,来讨论不同性质混沌信号降低电磁干扰水平的效果,结论非常明显,即以超混沌信号作为开关调制信号源,比混沌能更好地降低电磁干扰水平。