THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HỖN LOẠN TƯƠNG TỰ ĐỂ NGĂN CHẶN NHIỄU ĐIỆN TỪ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HỖN LOẠN TƯƠNG TỰ ĐỂ NGĂN CHẶN NHIỄU ĐIỆN TỪ Tóm tắt – sóng mang hỗn loạn tương tự được thiết kế để gắn vào bộ chuyển đổi khuếch đại điều chế độ rộng xung hỗn hợp, và được sử dụng để giảm nhiễu điện từ trong bộ chuyển đổi DCDC.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HỖN LOẠN TƯƠNG TỰ ĐỂ NGĂN CHẶN NHIỄU ĐIỆN TỪ

Tóm tắt – sóng mang hỗn loạn tương tự được thiết kế để gắn vào bộ chuyển đổi

khuếch đại điều chế độ rộng xung hỗn hợp, và được sử dụng để giảm nhiễu điện từ trong bộ chuyển đổi DC-DC Bộ điều chế độ rộng xung hỗn hợp tương tự có những lợi thế so với số như giá thấp, dễ thiết kế, phù hợp với vận hành ở tần số cao, và phù hợp với các tình huống thiết kế đòi hỏi giá rẻ và linh hoạt Cuối cùng, sự mô phỏng và thí nghiệm được tiến hành để minh họa cho tính hiệu quả của các đề xuất PWM hỗn loạn tương tự trong việc làm giảm nhiễu điện từ

Thuật ngữ - sóng mang hỗn loạn tương tự , điều chế độ rộng xung hỗn loạn, bộ chuyển đổi DC- DC, sự giảm nhiễu điện từ

Bây giờ chúng ta chấp nhận rằng sự hỗn loạn có thể được sử dụng để giảm nhiễu điện từ của bộ chuyển đổi DC-DC, do đặc tính phổ liên tục của nó [1] – [12], nói tóm lại, có 2 loại phương pháp kiểm soát để tạo ra tín hiệu hỗn loạn trong bộ chuyển đổi DC-DC

Một là tạo ra sự hỗn loạn của bộ chuyển đổi DC-DC bằng cách điều chỉnh các thông

số hệ thống [1]-[3]

[1] Cải thiện tương thích điện từ của nguồn điện bằng sóng hỗn loạn: Các tác giả chứng minh tính khả thi của việc sử dụng sự hỗn loạn để ép các đỉnh phổ của nhiễu gây ra bởi nguồn điện có chuyển mạch Một bộ chuyển đổi khuếch đại được sử dụng để hiển thị bằng thực nghiệm rằng phổ của dòng đầu vào được trải rộng , đỉnh phổ giảm xuống và tương thích điện từ được cải thiện khi so sánh với việc thực hiện với mạch điện tuần hoàn.

[2] Vấn đề giảm thiểu EMI với sóng hỗn loạn: Tất cả các mạch điện điện tử với chuyển mạch điều khiển phản hồi trang thái có thể được mô tả như là các hệ thống năng động điều khiển thời gian phi tuyến, và sự xuất hiện của sự hỗn loạn trong đó các gợn sóng trở thành không tuần hoàn được phổ biến trong các hệ thống như vậy Nó được chỉ ra rằng hiện tượng tự nhiên này có thể được sử dụng một cách hiệu quả để giảm thiểu nhiễu điện từ trong các mạch điện tử, bởi vì bộ điều khiển dựa vào việc sóng hỗn loạn trải rộng phổ của bộ chuyển đổi năng lượng, do đó giảm công suất nhiễu tại bất cứ tần số nào.

[3] Đánh giá kết quả thực nghiệm của bộ chuyển đổi khuếch đại dòng chương trình DC-DC hỗn loạn cơ bản

và nhiễu điện từ thấp: Trong bài báo này chúng tôi sử dụng điều chế tần số hỗn loạn cơ bản( FM ) của tín

hiệu điều khiển thời gian để giảm EMI trong một bộ chuyển đổi khuếch đại dong chương trình DC-DC Chúng tôi phân tích hiệu quả của kỹ thuật này ở cả việc tính toán phổ mật độ công suất của dòng điện dẫn

và kết quả thực nghiệm của việc đo đạc được thực hiện trên nguyên mẫu Các phép đo cho thấy các thông số

FM và tín hiệu điều chế có thể được lựa chọn để tăng cường đáng kể sự tương thích điện từ của hệ thống mà không có suy giảm trong gợn điện áp đầu ra

Hai là thiết kế một mạch hỗn loạn ngoại vi để tạo ra hoạt động hỗn loạn của bộ chuyển đổi DC-DC Thực tế thì bộ chuyển đổi DC-DC thường làm việc với các thông

số xác định nên phương pháp 1 không thực tế, do đó phương pháp thứ 2 được thông qua.Trong đó điều chế độ rộng xung hỗn loạn đóng một vai trò quan trọng

Cũng như PWM hỗn loạn, PWM ngẫu nhiên cũng có thể được sử dụng để ngăn chặn nhiễu điện từ, do tín hiệu ngẫu nhiên cũng có đặc tính phổ liên tục Tuy nhiên, tín hiệu ngẫu nhiên thực rất khó để tạo ra trong thực tế, điều đó làm hạn chế các ứng dụng của PWM ngẫu nhiên

Trọng tâm của PWM hỗn loạn là thiết kế một sóng mang hỗn loạn, để tạo ra các tín hiệu hỗn loạn Nói chung, một sóng mang hỗn loạn có thể được thiết kế ở dạng số hoặc tương tự Lợi thế của sóng mang hỗn loạn số là các tín hiệu số hỗn loạn thì chính xác, và biên độ và tần số sóng mang có thể điều chỉnh dễ dàng bằng cách lập trình một

bộ xử lý số mà không thay đổi mạch bên ngoài của nó, tất nhiên là nó cũng có các điểm hạn chế như, dải đều đặn của tần số sóng mang hỗn loạn được phát bởi bộ xử lý số thì phụ thuộc vào tốc độ sau, thỉnh thoảng mạch giao diện ngoại vi là cần thiết, và giá của

nó thì cao Ngược lại, giá thành của sóng mang hỗn loạn tương tự thấp hơn nhiều và khoảng thay đổi tần số có thể rộng hơn nhiều bằng cách thay đổi điện trở hoặc tụ điện của mạch sóng mang hỗn loạn tương tự, điều này phù hợp với chức năng của bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao Hơn nữa, nhiều máy tạo dao động hiện có có thể được

sử dụng để thiết kế sóng mang hỗn loạn tương tự Tuy nhiên, các sóng mang hỗn loạn tương tự không thể được điều chỉnh chính xác như số, bởi vì các đặc tính hiệu suất không hoàn hảo của các linh kiện, và việc triển khai thực hiện phần cứng phức tạp hơn một chút, bởi vì sóng mang hỗn loạn không được tạo ra bởi ngôn ngữ lập trình mà bởi việc lưa chọn linh kiện

Chúng ta biết rằng, bộ chuyển đổi dc-dc luôn luôn hoạt động ở tần số cao, và tần số của sóng mang hỗn loạn phải bằng tần số của bộ chuyển đổi DC-DC tương ứng

Do đó, nếu sử dụng sóng mang hỗn loạn số thì tốc độ của bộ xử lý phải cao , dẫn đến chi phí rất cao Mặc dù vậy, các bộ vi xử lý hiện tại có thể vẫn khó đáp ứng các yêu cầu thực tế Thay vào đó, sóng mang hỗn loạn tương tự có thể được sử dụng, vấn đề là làm thế nào để thiết kế chúng

Trên thực tế, trong [4], một phương pháp thiết kế được đề xuất sử dụng ba thiết

bị chuyển mạch (một chuyển đổi chính và hai phụ), dẫn đến suy hao chuyển mạch lớn Hơn nữa, các mạch máy phát hỗn loạn đề xuất trong [4] chỉ có thể tạo ra một loại tín hiệu hỗn loạn

[4] Giảm đỉnh phổ của bộ chuyển đổi DC –DC sử dụng hệ thống và mạch điện đồng hồ điều chế hỗn loạn Chuyển đổi năng lượng điện tử chính là nguồn của nhiễu điện từ, và việc ngẳn chặn nhiễu điện từ là vấn đề lớn trong thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng ở chế độ chuyển mạch Một phần đáng kể chi phí sản xuất của

bộ chuyển đổi năng lượng dành cho các ứng dụng quan trọng liên quan đến các bộ lọc thiết kế để phù hợp với các chỉ tiêu EMI khác nhau tring các lĩnh vực khác nhau , chẳng hạn như quốc phòng , hàng không , vv Chúng tôi đề xuất một phương pháp giảm EMI sử dụng biến đổi phổ thông qua điều chế hỗn loạn Bộ chuyển đổi hoạt động ở chế độ tuần hoàn chuẩn, sau đó tín hiệu thời gian (xung đồng hồ hoặc dạng sóng dốc) được điều chế bởi tín hiệu hỗn loạn Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một mạch đồng hồ điều chế hỗn loạn có thể dễ dàng thực hiện trong CMOS Chúng tôi đã chỉ ra , bởi cả hai mô phỏng và thử nghiệm , kết quả này trong việc giảm đỉnh quang phổ và hậu quả lan rộng phổ có thể được kiểm soát chính xác bằng cách điều chỉnh độ lợi của các dạng sóng hỗn loạn Kế hoạch này do đó có thể loại bớt các bộ lọc và màn hình hoặc ít nhất là giảm đáng kể kich thước của chúng.

Trong bài báo này, chỉ một chuyển mạch được thông qua để tạo ra các sóng mang hỗn loạn bằng cách nối một trong số rất nhiều các mạch tạo dao động hỗn loạn hiện có Máy phát dao động hỗn loạn của Chua làm cho thiết kế mạch linh hoạt hơn Một sự đóng góp nữa của bài này là đề nghị một sự chuyển đổi để tăng tần số của máy phát dao động hỗn loạn tới một giá trị cần thiết Mô phỏng và thí nghiệm được tiến hành để phê chuẩn sự hiệu quả của sóng mang hỗn loạn tương tự mới trong việc ngăn chặn nhiễu điện từ (gọi tắt kiểm soát EMI trong suốt bài viết này)

II SÓNG MANG HỖN LOẠN TƯƠNG TỰ.

Sóng mang tương tự được sử dụng cho bộ chuyển đổi DC-DC, như sóng tam giác, sóng răng cưa, được phát ra bằng cách nạp hoặc xả tụ điện, như là sóng mang tương tự hỗn loạn được đề xuất, bằng cách khởi tạo một tín hiệu hỗn loạn v’chaos được phát ra từ máy phát xung hỗn loạn như hình 1

A Thiết Kế Mạch

Sơ đồ mạch điện của máy phát sóng mang hỗn loạn tương tự được chỉ ra ở sơ đồ

1 có thể phát ra được cả sóng tam giác và sóng răng cưa hỗn loạn Hình 1 chỉ ra rằng giới hạn dưới của sóng mang hỗn loạn Vlow được xác định bởi R1 và R2, trong khi giới hạn trên Vupp được xác định bởi Vu và vchaos vchaos thu được từ điện áp ra v’chaos của mạch phát xung hỗn loạn bởi bộ điều chế theo tỷ lệ Theo bảng đặc tính R-S flip – flop chỉ ra

ở bảng 1, mạch sóng mang hỗn loạn vận hành như sau: Ban đầu vc =0, vc < Vlow < Vupp Sau đó, R=1, S = 0, Qn+1 = 1, chuyển mạch S7 mở , tụ C6 được nạp thông qua điện trở

R5 và R’5 bởi điện áp VCC Khi vc > Vlow và vc < Vupp, R=1 và S=1, Qn+1 = Qn, chuyển mạch duy trì trạng thái mở cho tới khi vc bằng hoặc vượt quá Vupp Khi S=1, R=0 , Qn+1

= 0, chuyển mạch đóng, tụ điện bắt đầu xả qua điện trở R’5 cho tới khi vc <Vlow Sau

đó, quá trình lại bắt đầu lặp lại từ đầu

Khi R’5 rất nhỏ hoặc gần bằng 0 thì tụ C6 nạp rất nhanh, điện áp ra của tụ C6 gần dạng xung răng cưa Nếu R’5 bằng hoặc lớn hơn R5 thì xuất hiện xung tam giác Theo lý thuyết mạch điện, tần số của sóng mang hỗn loạn có thể được tính bởi công thức

1

cn nch e ndisch e

f



 trong đó

ow

ow

nch e

l

VCC V





và

ow

is arg '5 6ln l

nd ch e

upp

V

V



Trong thực tế, một tần số fc tham chiếu luôn luôn cần phải được xác định, do đó việc thiết kế cuộn cảm và tụ điện trong bộ chuyển đổi DC-DC được dựa trên một tần

số nhất định Trong bài báo cáo này, tần số fc được xác định là tần số khi đó Vupp =

Vu Thông thường vchaos thuộc khoảng (-M, M), trong đó M là một số thực dương, vì vậy mà fcn sẽ dao động trong khoảng fc, và biên độ dao động phụ thuộc vào v’chaos và các mạch điều chỉnh biên độ của tín hiệu dao động tương ứng

Do đặc tính hỗn loạn của Vupp, fcn = 1/Tn có giá trị biến đổi hỗn loạn như hình 2

Vì thế nó được gọi là sóng mang hỗn loạn

B Máy phát dao động hỗn loạn.

Trong những thập kỹ trước, máy phát dao động hỗn loạn đã được nghiên cứu một cách rộng rãi [21] – [23] Những mạch điện đó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, như an ninh thông tin và trong công nghiệp Ở đây, máy phát xung hỗn loạn được sử dụng lần đầu tiên trong điều khiển PWM của bộ chuyển đổi DC-DC để giảm nhiểu điện từ

Trong số những máy phát dao động hỗn loạn đang có, máy của Chua, Lorentz,

và Chen được biết đến nhiều Trong phần này, máy của Chua được đề cập đến vì sự đơn giản và sự lớn mạnh của nó Sơ đồ 3 thể hiện máy phát dao động của Chua, trong

đó NR là diot của Chua( xem sở đồ 4) Và VR, iR thỏa mãn mối quan hệ (2)

iR = f(VR) = GbVR + ½( Ga – Gb ) (| VR +E| - | VR -E|) (2)

Máy phát của Chua có thể được mô tả bởi các phương trình khác nhau sau đây:

1

1

1

( )

dV

2

2

1

dV

3

2 0 3 1

1

dV

Trong đó, G là độ dẫn, tức là nghịch đảo của điện trở

Ví dụ, khi R = 1858Ω, R0 =0Ω, L1 =18mH, C1 =10 nF, C2 = 100 nF, E

=1.075V, Ga = −757.58 μS, và Gb = −409.09 μS, dạng pha của máy phát sóng hỗnS, và Gb = −409.09 μS, và Gb = −409.09 μS, dạng pha của máy phát sóng hỗnS, dạng pha của máy phát sóng hỗn loạn được mô tả trên hình 5

Chú ý rằng, khi một máy phát sóng hỗn loạn được sử dụng để phát sóng mang hỗn loạn, nhưng tần số hiện có của máy phát dao động không thể theo được yêu cầu của tần số chuyển mạch, những tần số của máy phát dao động nên được mở rộng bằng cách điều chỉnh các thông số của mạch điện Để duy trì đặc tính hỗn loạn giống nhau của máy phát sóng hỗn loạn, các thông số và tần số nên được xác định Với máy phát

dao động Chua, để tăng tần số của vchua từ fv tới Nfv ta chỉ cần áp dụng việc chuyển t =

Nt Để đạt được điều này, các công thức có thể được viết lại:

1

/ 1

dV

V V G f V

d C N

2

2

1 /

dV

3

2 0 3 1

1

/

dV

Do đó, các tần số ở đầu ra như vchaos sẽ được tăng lên N lần khi các thông số C1 ,

C2, và L1 được thay thế bởi C1/N, C2/N, và L1/N Cách tiếp cận này cũng có thể được

áp dụng cho các máy tạo dao động khác Tuy nhiên, trong thực tế, việc thay đổi nên được điều chỉnh bằng cách thử bởi vì các linh kiện của mạch điên thường không như ý muốn

III PWM HỖN LOẠN TƯƠNG TỰ

A Bộ chuyển đổi khuếch đại

Ở đây, một sóng mang hỗn loạn có thể được gắn vào bộ chuyển đổi khuếch đại PWM như hình 6 Bởi vì đây là sơ đồ liên kết cơ bản của bộ chuyển đổi DC-DC và rất phổ

biến trong nhiều mạch thực tế như bộ hiệu chỉnh hệ số công suất hay chuyển đổi công suất Chuyển mạch S, Điện dẫn đầu vào L, Diode dẫn D, và tụ lọc đầu ra tạo thành mạch chính của bộ chuyển đổi khuếch đại: Trong khi RL đại diện cho điện trở

tải, mạch lấy mẫu cho iL , mạch liên quan cho Iref , một bộ khuếch đại, một bộ so sánh, một sóng mang ( tuần hoàn hoặc hỗn loạn) tạo thành phần điều khiển PWM như trên hình 6

B Mô phỏng

Có hai phương pháp điều khiển khác nhau, là PWM truyền thống với sóng mang tuần hoàn và PWM với sóng mang hỗn loạn, được mô phỏng và so sánh hiệu quả của chúng trong việc ngăn chặn gợn sóng, làm giảm nhiễu điện từ và tăng hiệu suất

Sơ đồ mạch điện của bộ chuyển đổi khuếch đại được thể hiện trên hình 6 Trong

đó, VI =10V, L =1mH, C =10 μS, và Gb = −409.09 μS, dạng pha của máy phát sóng hỗnF, R = 200Ω, and fC =10 kHz Với phần điều khiển, Vlow

=0V, Vu =2V,and Iref =1A được chọn

Sóng mang tuần hoàn dễ dàng được tạo ra với Vupp = Vu = 2V( xem sơ đồ 1) Để phát sóng mang hỗn loạn, chỉ cần giả định rằng các thông số của máy phát dao động hỗn loạn được nhúng nhận các giá trị như ở phần II-B, và V2 =v’chaos Nếu v’chaos được điều chế theo tỷ lệ thành (-0.3, 0.3), khi đó Vupp thuộc khoảng (1.7, 2.3) Sóng mang tuần hoàn và sóng mang hỗn loạn phát ra được thể hiện trên hình 7 a và b

Lưu ý rằng do tần số của sóng mang hỗn loạn khoảng chừng 10kHz, tần số của máy tạo dao động hỗn loạn của Chua với các thông số được lựa chọn như trên sẽ được

tăng lên 104 lần dựa trên tần số cơ bản của nó, mà có thể được ước tính bằng cách quan sát tần số với biên độ lớn nhất trong phổ biến đổi Fourier nhanh Với việc chuyển đổi t

= 104 , phổ biến đổi Fourier nhanh của Vupp được thể hiện như trên hình 8

Rõ ràng, bây giờ tần số của máy phát dao động của Chua có thể bắt kịp tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi khuếch đại

Dạng sóng đầu ra, dạng pha, và phổ của dòng đầu vào của bộ chuyển đổi khuếch đại theo kiểm soát PWM sử dụng song mang hỗn loạn [xem hình 7 (b)] và sóng mang tuần hoàn xem hình 7 (a)], tương ứng, được so sánh với kết quả được hiển thị trong Hình 9-11 và Bảng II

Chú ý rằng quá dòng , quá áp là như nhau, các gợn sóng dòng điện và điện áp tăng nhẹ, hiệu suất được cải thiện Và nhiễu điện từ giảm rất nhiều khi song mang tuần hoàn được thay thế bới song mang hỗn loạn trong điều khiển PWM Lý do làm cho bộ chuyển đổi PWM hỗn loạn tốt hơn bộ chuyển đổi PWM truyền thống là tần số chuyển mạch trung bình nhỏ hơn được xác định là tỷ lệ của tổng số chuyển mạch trên tổng số

thời gian như chỉ ra ở [24] Kết quả mô phỏng về tần số chuyển mạch trung bình của

bộ chuyển đổi PWM truyền thống và PWM hỗn loạn được chỉ ra trên bảng III

Tần số chuyển mạch trung bình nhỏ hơn thì suy hao chuyển mạch nhỏ hơn, dẫn đến hiệu suất tăng

[24] tính toán sự phân bổ xác suất bất biến cho sơ đồ hỗn loạn trong bộ chuyển đổi DC-DC và các ứng dụng của nó : hỗn loạn là đặc tính vốn có của bộ chuyển đổi DC-DC có thể được sử dụng để cải thiện tính tương thích điện từ Có thể điều khiển được nhiễu điện từ của hệ thông bằng cách tính phân bố xác suất bất biến của biểu đồ hỗn loạn Bài viết này mô tả một bộ chuyển đổi DC-DC với sơ đồ đơn giản, hoạt động ở chế độ hỗn loạn căn cứ vào điều này, sự phân bố xác suất bất biến của sơ đồ hỗn loạn của nó được tính bằng cách sử dụng phương pháp eigenvector Bằng cách so sánh sự phân bố xác suất bất biến với bản đồ hỗn loạn và phân nhánh, kết quả của mô phỏng có thể chứng minh phương pháp này là tương tự với tính toán phân phối xác suất bất biến của bản đồ hỗn loạn trong bộ chuyển đổi DC-DC Sự tính toán cũng có thể được sử dụng để ước tính mật độ năng lượng phổ của đầu vào hoặc đầu ra và tần số trung bình của chuyển mạch Nó mở đường cho việc tính toán các thông số của bộ chuyển đổi DC-DC hỗn loạn.

Tóm lại, Sóng mang hỗn loạn không làm thay đổi đặc tính của bộ chuyển đổi DC-DC, như dạng sóng đầu ra và sự ổn định, nhưng cải thiện đáng kể tính tương thích điện từ như hình 11, đắc biệt là ở băng tần thấp

IV THÍ NGHIỆM

Để chứng minh sự hiệu quả của PWM hỗn loạn tương tự sâu hơn, các thí nghiệm và thiết kế phần cứng cũng đã được tiến hành Đầu tiên, thiết kế mạch diode của Chao, hạt nhân của máy phát dao động hỗn loạn được giới thiệu

A Chua’s Diode

Cho đến nay, nhiều phương pháp đã được báo cáo để xây dựng diode của Chua [25], Trong số đó, phổ biễn nhất là cái được chỉ ra trên hình 12, và thiết kế các tham số tương ứng được chỉ ra ở [26]