Suppressing Electromagnetic Interference in Switching-Mode Power Supplies by Chaotic Carrier Frequency Modulation

Niu, Junying

Due to its high efficiency, a switching mode power supply (SMPS) has been increasingly widely applied in electric industry. However, rapid switching action of semiconductor devices, which results in high change rates of voltage and current, leads to severe electromagnetic interference (EMI) problems. Many engineering techniques have been proposed to suppress EMI of SMPS by taking measurements on interference sources, victims or EMI coupling paths, respectively. The conventional techniques for EMI reduction are shielding and filtering, which are methods to cut off the coupling path and enhance the interference immunity of the victim. However, they have the disadvantage of increasing size and cost of the products, which restrains their application, especially in portable equipments. Moreover, those methods, just fighting the generated interference, can't prevent the generation of EMI at the source. Hence, more efficient and economic techniques are desired. In recent years, the spread-spectrum technique, which can reduce EMI at the source by spreading the spectra of input and output signals over a wide frequency band without changing the total energy, has received great research interest. Periodic carrier frequency modulation, randomized carrier frequency modulation and chaotic carrier frequency modulation (CCFM) are commonly used spread-spectrum techniques. The chaotic and randomized modulation techniques are more effective for EMI suppression than the periodic one. Moreover, as a nonlinear deterministic system to generate pseudo-random signals, a chaotic system is easier to control and manufacture than a random system, posing promising potentials in industrial applications. So far, the study on CCFM was focused on theoretical analyses, simulations, and experimental verifications, lacking of a practical consideration of applying CCFM in real power supplies, which will be main concern of this dissertation. First, for power supplies with standard PWM ICs, a CCFM module is proposed to serve as a plug-in component for suppressing EMI, without changing the original circuit, thus, saving the development process and cost caused by the redesign of the product. The module is used to modulate the switching frequency of the standard PWM ICs by providing a chaotically dithering current for the frequency setting component. It is noted that the CCFM module is adjustable via its parameters to reach a trade-off between EMI suppression and ripples caused by chaotic modulation. Secondly, for designing a chaotic frequency PWM IC, it is necessary to integrate a chaotic frequency oscillator into the standard PWM IC, which is to be realized both in analogue and digital manners for various practical applications. The oscillator of the traditional analogue PWM ICs is normally implemented by a sawtooth generator, of which the produced signal circularly vibrates between two threshold voltages. Therefore, an analogue chaotic driver of a PWM IC is designed to dither either of the threshold voltages chaotically. The digital PWM IC sets the switching frequency by a counter, which counts from 0 to a pre-assigned value at a certain rate during each switching period. Hence, a chaotic switching period counter is designed for the digital CCFM IC by modulating the pre-assigned value chaotically. Chaotic frequency PWM ICs provide an efficient and economical solution for EMI suppression in power supplies, and enable real industrial applications.

In der Elektroindustrie finden Schaltnetzteile wegen ihrer hohen Effizienz zunehmend weite Verbreitung. Allerdings äußern sich die schnellen Schaltvorgänge in den Halbleiterbauelementen in hohen Änderungsraten von Spannung und Strom, was zu starken elektromagnetischen Interferenzen (EMI), d.h. Störungen, führt. Viele Techniken wurden vorgeschlagen, um durch Maßnahmen gegen Störquellen, Kopplungspfade sowie bei gestörten Geräten die von Schaltnetzteilen ausgehenden EMI zu unterdrücken. Die herkömmlichen EMI-Reduktionstechniken Abschirmung und Filterung unterbrechen die Kopplungspfade und verbessern die Störfestigkeit gestörter Geräte. Ihre Nachteile zunehmender Größe und höherer Produktkosten schränken jedoch ihre Anwendbarkeit ein, insbesondere in tragbaren Geräten. Darüber hinaus können diese Verfahren nur erzeugte Interferenzen bekämpfen, die Entstehung von EMI an der Quelle jedoch nicht verhindern. Daher sind effizientere und wirtschaftlichere Techniken gewünscht. In den letzten Jahren hat Frequenzspreizung in der Forschung großes Interesse gefunden, weil sie EMI an der Quelle durch Spreizen der Spektren der Eingangs- und Ausgangssignale über ein breites Frequenzband ohne Änderung der Gesamtenergie reduziert. Periodische, randomisierte und chaotische Trägerfrequenzmodulation (CCFM) sind häufig eingesetzte Frequenzspreiztechniken, wobei die beiden letzteren EMI effektiver unterdrücken als die periodische. Chaotische Systeme sind nichtlinear und deterministisch und können deshalb Pseudozufallssignale erzeugen. Sie sind leichter zu regeln und herzustellen als Systeme mit echt zufälligem Verhalten, was ein vielversprechendes industrielles Anwendungspotential eröffnet. Während sich die Untersuchung der CCFM bisher auf theoretischen Analysen, Simulationen und experimentelle Nachweise konzentrierte, fehlt noch ihre Betrachtung beim Einsatz in realen Stromversorgungen - das Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird zur Unterdrückung von EMI in Stromversorgungen mit Standard-PWM-ICs der Einsatz eines CCFM-Moduls in Form einer Plug-in-Komponente vorgeschlagen, der die ursprüngliche Schaltung nicht ändert und somit den Entwicklungsprozess vereinfacht sowie Kosten für die Produktneugestaltung einspart. Die Komponente moduliert die Schaltfrequenz der Standard-PWM-ICs durch Bereitstellung eines chaotischen Unruhestroms für die Frequenzeinstellung. Das CCFM-Modul ist über seine Parameter einstellbar, um die EMI-Unterdrückung gegen die durch die chaotische Modulation verursachte Welligkeit abwägen zu können. Zum Entwurf von ICs für chaotische Frequenz-PWM zum Einsatz in verschiedenen praktischen Anwendungen ist es notwendig, chaotische Frequenzoszillatoren in die Standard-PWMICs zu integrieren und sowohl in analoger als auch digitaler Form zu realisieren. Der Oszillator der herkömmlichen analogen PWM-ICs wird normalerweise als Sägezahngenerator ausgeführt, dessen Ausgangssignal zwischen zwei Schwellenspannungen zirkular vibriert. Daher wird für den Entwurf des analogen chaotischen Frequenz-PWM-ICs eine Schaltung vorgeschlagen, die die Schwellenspannungen chaotisch schwanken lässt. Das digitale PWM-IC setzt die Schaltfrequenz mittels eines Zählers, der mit einer bestimmten Rate während jeder Schaltperiode von 0 bis zu einem vorherbestimmten Wert zählt. Somit nimmt das digitale CCFM-IC die Form eines Schaltperiodenzählers an, der den vorherbestimmten Wert chaotisch moduliert. Chaotische Frequenz-PWM-ICs bieten eine effiziente und wirtschaftliche Lösung zur EMI-Unterdrückung in Stromversorgungen und ermöglichen echte industrielle Anwendungen.

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Niu, Junying: Suppressing Electromagnetic Interference in Switching-Mode Power Supplies by Chaotic Carrier Frequency Modulation. Hagen 2016. FernUniversität in Hagen.

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