通信開關(guān)電源的EMC分析

　　0 引言

　　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、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，廣泛應用于光數(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)定工作就要有很強的抗電磁干擾能力，對于電場，磁場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，同時也要不受通信系統(tǒng)本身因通信時電磁波帶來的干擾。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)，由導通切換為關(guān)斷狀態(tài)時形成浪涌電壓，或由關(guān)斷切換為導通狀態(tài)時形成的浪涌電流，它們的高次諧波成分會通過空間向外發(fā)射或通過電源線的傳導構(gòu)成干擾源。由關(guān)斷切換為導通狀態(tài)時，開關(guān)變壓器副方的整流二極管受反方向恢復特性的限制，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：

　　(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的射頻磁場干擾;

　　30～1 000 MHz的射頻電場干擾。

　　(3)部分電磁場通過開關(guān)電源機殼的縫隙，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，一起通過空間傳播的方式，對其他高頻設(shè)備及對電磁場比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其他設(shè)備工作異常。

　　因此，對通信開關(guān)電源，要限制由負載線、電源線產(chǎn)生的傳導干擾圾空間傳播時產(chǎn)生的輻射電磁場干擾量，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 國內(nèi)外電磁兼容性標準

　　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。國內(nèi)外已有大量的電磁兼容性標準，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達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)備的電磁兼容性測試內(nèi)容及測試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計的最基本要求。

　　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復雜的。有通信系統(tǒng)的高頻信號對開關(guān)電源的電磁干擾;同時，開關(guān)電源由于本身的電路設(shè)計，PCB布線，元器件的性能等也會對通信，或其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。其中，按耦合通路來分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種;按照干擾信號對于電路作用的形態(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干擾信號，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載時近似為方波，波信號含有豐富的高次諧波，該高次諧波的頻譜可達方波頻率的1 000次以上。由于電壓差可以產(chǎn)生電場、電流的流動可以產(chǎn)生磁場，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，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，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，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，雖然控制復雜，但效果與負載無關(guān)，提高了功率因數(shù)，使性能更佳。同時，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進行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐崿F(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，一般利用儲能電感及電容器組成L，C濾波電路，實現(xiàn)對差模及共模干擾信號的濾波，以及交流方波信號轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號。由于電感線圈的分布電容，導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，隨著干擾信號頻率的上升，由于引線電感的作用，導致電容量及濾波效果不斷下降，直至達到諧振頻率以上時，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，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個原因。

　　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)計時的內(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)計時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，低壓干擾小的遠離;盡可能減小回路包容的面積;正負導線盡可能接近;增強輸入/輸出濾波電路的設(shè)計，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，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)電源的傳導干擾和輻射干擾傳導干擾主要是由于信號經(jīng)電網(wǎng)傳播，會對其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴重干擾，往往引起更嚴重的問題。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。而傳導干擾的極限值，可參考國標中的電磁兼容規(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、連線等都可認為是天線，同時手機電話等的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，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，因為它們安裝在機殼和端子間，會有漏電電流流向機殼，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)電源對內(nèi)、外的干擾及抗干擾中，共模信號與開關(guān)器件的工作方式、散熱器的安裝及整機PCB板與機殼的連接有相當復雜的關(guān)系，共模信號在一定的條件下又可轉(zhuǎn)變成差模信號。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，使開關(guān)電源能夠在電路上改進從而提高性能。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、加強輸入電路的共模信號濾波來提高系統(tǒng)的抗擾性能。隔離，屏蔽其他干擾信號的干擾，以及自身對于其他設(shè)備的干擾。

　　切斷干擾信號的傳播途徑：電磁屏蔽，用金屬外殼加強屏蔽效果，并進行良好的接地處理(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，同時也可以改善開關(guān)電源內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。

　　5 結(jié)語

　　本文分析了通信開關(guān)電源在工作時易受到的干擾及其特點，結(jié)合通信技術(shù)，開關(guān)電源的相關(guān)性能指標，并參考目前國內(nèi)外電磁兼容性的標準，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。