通信開關電源的特性以及抑制電磁干擾的技術解析

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術和功率器件的發(fā)展，開關電源以其體積小、重量輕、高性能、高可靠性等特點被廣泛應用于通信系統(tǒng)、自動控制、家用電器等領域，特別是廣泛應用于程控交換、光數(shù)據傳輸無線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網絡中，是信息技術設備正常工作的核心動力。但是，通信開關電源一般都采用脈沖寬度調制（PWM）技術，其開關器件工作在高頻通斷狀態(tài)，由于高頻的快速瞬變過程本身就是電磁干擾源，它產生的電磁干擾（EMI）信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產品造成干擾。另外，通信開關電源要有很強的抗電磁干擾的能力，特別是對雷擊、浪涌、電網電壓、電場、磁場、電磁波、靜電放電、脈沖串、電壓跌落、射頻電磁場傳導抗擾性、輻射抗擾性、傳導發(fā)射、輻射發(fā)射等項目需要滿足有關EMC標準的規(guī)定。

國內在20世紀80～90年代，為了加強對當前國內電磁污染的治理，制定了一些與CISPR標準、IEC801等國際標準相對應的標準。自從2003年8月1日中國強制實施3C認證（ChinaCompulsoryCertification）-K作以來，掀起了”電磁兼容熱”，近距離的電磁干擾研究與控制愈來愈引起電子研究人員們的關注，當前已成為研究領域的一個新熱點。本文將針對通信開關電源電干擾的產生機理系統(tǒng)地論述相關的抑制技術。

1 通信開關電源的特性及電磁干擾產生的機理

1.1 開關電源基本特性

開關電源的基本特性有四點：

①位置較為清楚。主要集中在功率開關器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上；

②能量轉換裝置工作于開關狀態(tài)。因開關電源是工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，故其電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；

③電源印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置。這種布置使其具有很大的隨意性，增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預測評估的難度；

④開關頻率大，可從幾萬Hz到數(shù)兆Hz，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。

1.2 電磁干擾產生機理

1.2.1 開關電路產生的電磁干擾

開關電路是開關電源的核心，主要由開關管和高頻變壓器組成，它產生的dv/dt是具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因有兩個方面：一方面開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬問，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸人輸出端，形成傳導干擾。另一個方面脈沖變壓器初級線圈，開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

1.2.2 二極管的反向恢復時間引起的干擾高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/dt）。

2 電磁干擾抑制措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾應從這三方面人手。

抑制干擾源、消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射、提高受擾設備的抗擾能力，從而改善開關電源的電磁兼容性能的目的。

2.1 采用濾波器抑制電磁干擾

濾波是抑制電磁干擾的重要方法，它能有效地抑制電網中的電磁干擾進入設備，還可以抑制設備內的電磁干擾進入電網。在開關電源輸入和輸出電路中安裝開關電源濾波器，不但可以解決傳導干擾問題，同時也是解決輻射干擾的重要武器。濾波抑制技術分為無源濾波和有源濾波兩種方式。

2.1.1 無源濾波技術

無源濾波電路簡單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導發(fā)射。開關電

源中應用的無源濾波器的原理結構圖如圖1所示。

由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會產生脈沖尖峰電流，這個電流由非常多的高次諧波電流組成，對電網產生干擾；另外電路中開關管的導通或截止、變壓器的初級線圈都會產生脈動電流。由于電流變化率很高，對周圍電路會產生出不同頻率的感應電流，其中包括差模和共模干擾信號，這些干擾信號可以通過兩根電源線傳導到電網其他線路和干擾其他的電子設備。圖中差模濾波部分可以減少開關電源內部的差模干擾信號，又能大大衰減設備本身工作時產生的電磁干擾信號傳向電網。又根據電磁感應定律，得E—Ldi/dt，E為L兩端的電壓降，L為電感量，di/dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。

脈沖電流回路通過電磁感應其他電路與大地或機殼組成的回路產生的干擾信號為共模信號；開關電源電路中開關管的集電極與其他電路之間產生很強的電場，電路會產生位移電流，而這個位移電流也屬于共模干擾信號。圖中共模濾波器就是用來抑制共模干擾，使之受到衰減。

2.1.2 有源濾波技術

有源濾波技術是抑制共模干擾的一種有效方法。這是一種從噪聲源出發(fā)而采取的措施（如圖2）。其基本思想是設法從主回路中取出一個與電磁干擾信號大小相等、相位相反的補償信號去平衡原來的干擾信號，以達到降低干擾水平的目的。如圖，利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波.R1、C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于c2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。

要用于防止靜電場和恒定磁場的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽技術分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使其電磁波產生衰減。

此外，為了抑制開關電源產生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對其他電子設備的影響，應采取整體屏蔽?？赏耆凑諏Υ艌銎帘蔚姆椒▉砑庸て帘握?，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時應充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入、輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結構成本大幅度增加等因素。

為使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強屏蔽效果，同時保障人身和設備的安全，應將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術。接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路設計。這一過程是至關重要的，將接地和屏蔽正確結合起來可以更好地解決電磁干擾問題，又可提高電子產品的抗干擾能力。

2.3 PCB設計技術

為更好地抑制開關電源的電磁干擾，其印制電路板（PCB）的抗干擾技術尤為重要。為減少PCB的電磁輻射和PCB上電路問的串擾，要非常注意PCB布局、布線和接地。如減少輻射干擾是減小通路面積，減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，采用靜電屏蔽。而抑制電場與磁場的耦合，應盡量增大線間距離。

在開關電源中接地是抑制干擾的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3種基本類型。地線設計應注意以下幾點：

（1）交流電源地與直流電源地分開。

（2）功率地與弱電地分開。

（3）模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開。

（4）盡量加粗地線。

2.4 擴頻調制技術

對于一個周期信號尤其是方波來說，其能量主要分布在基頻信號和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級數(shù)降低。由于次諧波的帶寬是基頻帶寬的倍，通過擴頻技術將諧波能量分布在一個更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強度也應該相應降低。要在開關電源中采用擴頻時鐘信號，需要對該電源開關脈沖控制電路輸出的脈沖信號進行調制，形成擴頻時鐘（如圖3）。與傳統(tǒng)的方法相比，采用擴頻技術優(yōu)化開關電源EMI既高效又可靠，無需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理，也不會對電源的效率帶來任何負面影響。

電感和電容等元件組成濾波器，將輸入電流波形進行移相和整形過程來實現(xiàn)提高功率因數(shù)的。而有源功率因數(shù)校正電路是依據控制電路強迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形的原理來實現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。兩種方法均使功率因數(shù)提高，后者效果更加明顯，但電路復雜。

3 結論

隨著通信開關電源不斷向高頻化發(fā)展，其抗干擾問題顯得越發(fā)重要。在開發(fā)和設計開關電源過程中，如何有效抑制開關電源的電磁干擾，同時提高開關電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個重要課題。除本文中分析的幾種主要方法外，還可以采用光電隔離器、LSA系列浪涌吸收器、軟開關技術等。幾種抗干擾措施既相互獨立又相互聯(lián)系，在實際設計時，應全面考慮開關電源的各種電磁干擾，選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用，才能達到良好的抗干擾效果。
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