深度剖析：通信開關(guān)電源電磁兼容性問題

?【導(dǎo)讀】本文分析了通信開關(guān)電源在工作時(shí)易受到的干擾及其特點(diǎn)，結(jié)合通信技術(shù)，開關(guān)電源的相關(guān)性能指標(biāo)，并參考目前國(guó)內(nèi)外電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)通信開關(guān)電源的電磁兼容性問題提出了解決通信開關(guān)電容電磁兼容性的可行性方法，使通信開關(guān)電源的工作性能提高。

為了抑制通信開關(guān)電源受到的電磁干擾，解決其電磁兼容性問題，從開關(guān)電源的電磁干擾，電磁兼容性等的特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)分析共模／差模干擾，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，并根據(jù)相應(yīng)的干擾問題，提出了開關(guān)電源內(nèi)部PCB布線、元器件分布要求，EMI濾波電路，典型的共模／差模干擾濾波器及其改進(jìn)方法。同時(shí)從電路設(shè)計(jì)，儀器設(shè)備等方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到開關(guān)電源的工作性能最優(yōu)化。

現(xiàn)代通信，電子、電氣設(shè)備的正常工作都離不開電源。通信電源在通信設(shè)備中具有不可比擬的重要地位。隨著通信事業(yè)的飛速發(fā)展，手機(jī)、電話、電腦等通信工具走人人們的生活，已經(jīng)變得越來越普遍。通信設(shè)備的不斷更新，對(duì)于通信開關(guān)電源的要求也越來越高。通信開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光數(shù)據(jù)傳輸、程控交換、無線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中，是電子電氣設(shè)備正常工作的“心臟”。
?

1 通信開關(guān)電源的干擾

通信開關(guān)電源要穩(wěn)定工作就要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，對(duì)于電場(chǎng)，磁場(chǎng)及電磁波等要有足夠的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及通信設(shè)備供電的穩(wěn)定且不間斷，同時(shí)也要不受通信系統(tǒng)本身因通信時(shí)電磁波帶來的干擾。一般來講，開關(guān)電源受到的干擾源有電壓電流快速變化造成的干擾，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。開關(guān)電源的干擾來源有：開關(guān)電源的大功率開關(guān)管工作在高壓大電流的切換狀態(tài)，由導(dǎo)通切換為關(guān)斷狀態(tài)時(shí)形成浪涌電壓，或由關(guān)斷切換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)形成的浪涌電流，它們的高次諧波成分會(huì)通過空間向外發(fā)射或通過電源線的傳導(dǎo)構(gòu)成干擾源。由關(guān)斷切換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)變壓器副方的整流二極管受反方向恢復(fù)特性的限制，產(chǎn)生尖峰狀的反向電流，它與二極管結(jié)電容以及引線電感等形成阻尼正弦振蕩，也含有大量的諧波成分，構(gòu)成干擾。

通信開關(guān)電源電磁干擾特點(diǎn)：

（1）整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器在高壓、大電流及高頻開關(guān)的方式下工作，其電流電壓快速變化會(huì)造成干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。

（2）收發(fā)天線的極化，方向特性EMC輻射。通信開關(guān)電源受到：9 kHz～30 MHz的射頻磁場(chǎng)干擾；30～1 000 MHz的射頻電場(chǎng)干擾。

（3）部分電磁場(chǎng)通過開關(guān)電源機(jī)殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)，一起通過空間傳播的方式，對(duì)其他高頻設(shè)備及對(duì)電磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其他設(shè)備工作異常。

因此，對(duì)通信開關(guān)電源，要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾圾空間傳播時(shí)產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)干擾量，使它們能與處于同一環(huán)境中的其他電信設(shè)備均能夠正常工作，互不產(chǎn)生干擾。

2 國(guó)內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。國(guó)內(nèi)外已有大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包通信開關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求。

3 開關(guān)電源的電磁兼容性問題分析

通信開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)工作狀態(tài)下，其引起電磁兼容性問題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。有通信系統(tǒng)的高頻信號(hào)對(duì)開關(guān)電源的電磁干擾；同時(shí)，開關(guān)電源由于本身的電路設(shè)計(jì)，PCB布線，元器件的性能等也會(huì)對(duì)通信，或其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。其中，按耦合通路來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種；按照干擾信號(hào)對(duì)于電路作用的形態(tài)不同，可將電源系統(tǒng)內(nèi)的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常，線路電源線上的任何傳導(dǎo)干擾信號(hào)，都可表示成共模和差模干擾兩種方式。

在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在高電壓、大電流或以高頻開關(guān)方式工作下，開關(guān)電壓及開關(guān)電流的波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為方波，波信號(hào)含有豐富的高次諧波，該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1 000次以上。由于電壓差可以產(chǎn)生電場(chǎng)、電流的流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而造成設(shè)備內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使設(shè)備的性能降低。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)并不是理想的，在高頻開或關(guān)時(shí)，常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器問的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。

通信開關(guān)電源采用了有源功率因數(shù)校正，雖然控制復(fù)雜，但效果與負(fù)載無關(guān)，提高了功率因數(shù)，使性能更佳。同時(shí)，開關(guān)電源采用軟開關(guān)技術(shù)來降低電路開關(guān)功耗，減少噪聲，提高電路的效率及可靠性。但是，軟開關(guān)無損吸收電路多利用L，C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。

通信開關(guān)電源中，一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L，C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模干擾信號(hào)的濾波，以及交流方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號(hào)。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻干擾信號(hào)穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器，隨著干擾信號(hào)頻率的上升，由于引線電感的作用，導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降，直至達(dá)到諧振頻率以上時(shí)，完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行?。不正確地使用濾波電容及引線過長(zhǎng)，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)原因。

?4 電磁兼容性解決方法

（1）解決開關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性

減小通信開關(guān)電源本身設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)部干擾：抑制高頻開關(guān)變壓器的噪聲，吸收緩沖，降低漏感；在電路設(shè)計(jì)時(shí)PCB的合理布線，盡量不走環(huán)線；干擾比較重的放在一起，低頻，低壓干擾小的遠(yuǎn)離；盡可能減小回路包容的面積；正負(fù)導(dǎo)線盡可能接近；增強(qiáng)輸入／輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善APFC電路的性能，消除或者減小二極管的電流快速變化。其中常用的電路是零電壓開關(guān)ZVS、零電流開關(guān)ZCS和準(zhǔn)諧振ZVS／ZCS電路。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。利用組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合的無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決在電路中因并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生的諧振損耗。對(duì)功率開關(guān)管波形整形；模擬與數(shù)字，高壓與低壓等的隔離。

（2）消除電磁干擾，提高開關(guān)電源的工作性能

消除通信開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾傳導(dǎo)干擾主要是由于信號(hào)經(jīng)電網(wǎng)傳播，會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，往往引起更嚴(yán)重的問題。常用的抑制方法有：緩沖器法，減少耦合路徑法，減少寄生元件法等。而傳導(dǎo)干擾的極限值，可參考國(guó)標(biāo)中的電磁兼容規(guī)范GB9254-1988，（386833．9-87，GB6833．4-1987，GB6833-1987。

在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關(guān)電源電路中，主電路中的元器件、連線等都可認(rèn)為是天線，同時(shí)手機(jī)電話等的MCU與LCD的數(shù)據(jù)線、地址線工作頻率高，也是產(chǎn)生輻射干擾的主要干擾源?？梢酝ㄟ^增加提高抗干擾能力的器件提高易受外界干擾的小信號(hào)電路的抗干擾能力；并綜合考慮各種接地措施，提高整體的電磁兼容性。開關(guān)電源在輸入電路中容易受到共模／差模干擾，此時(shí)，可以利用EMI濾波電路抑制此干擾。EMI濾波電路如圖1（a）所示。其中，L1，L2為共模抑制電感，與C1～C7組成線路低通濾波器：C1，C4，C5用于抑制差模噪聲，這里選用0．33μF的聚丙烯薄膜電容器；C2，C3和C6，C7用于抑制共模噪聲，因?yàn)樗鼈儼惭b在機(jī)殼和端子間，會(huì)有漏電電流流向機(jī)殼，為防止觸電，這里選用漏電流小，不易擊穿和損壞的云母電容器，容量為3．300 pF和0．1μF；C1～C7耐壓值均選為交流250 V。

開關(guān)電源對(duì)內(nèi)、外的干擾及抗干擾中，共模信號(hào)與開關(guān)器件的工作方式、散熱器的安裝及整機(jī)PCB板與機(jī)殼的連接有相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，共模信號(hào)在一定的條件下又可轉(zhuǎn)變成差模信號(hào)。其中解決共模干擾除了上述一般的EMI濾波電路，還可按如下電路圖的思想在電路上改進(jìn)，使開關(guān)電源能夠在電路上改進(jìn)從而提高性能。圖1（b）為共模／差模干擾濾波器典型電路，圖1（c）為在圖1（b）基礎(chǔ)上變異的共模／差模干擾濾波電路。

?

?

（3）隔離電源與其他設(shè)備間的相互干擾，增強(qiáng)通信開關(guān)電源的抗干擾能力。在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中，選用具有抗靜電干擾的器件。而單位脈沖干擾的頻譜最寬，容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，可采用吸收式濾波器消除，減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波來提高系統(tǒng)的抗擾性能。隔離，屏蔽其他干擾信號(hào)的干擾，以及自身對(duì)于其他設(shè)備的干擾。

切斷干擾信號(hào)的傳播途徑：電磁屏蔽，用金屬外殼加強(qiáng)屏蔽效果，并進(jìn)行良好的接地處理（注意大地與系統(tǒng)地不可接在一起），各控制單元間的大面積接地用接地板屏蔽，同時(shí)也可以改善開關(guān)電源內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。