深度剖析：通信開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性問(wèn)題

【導(dǎo)讀】本文分析了通信開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題提出了解決通信開(kāi)關(guān)電容電磁兼容性的可行性方法，使通信開(kāi)關(guān)電源的工作性能提高。

為了抑制通信開(kāi)關(guān)電源受到的電磁干擾，解決其電磁兼容性問(wèn)題，從開(kāi)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(wèn)題，提出了開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)越普遍。通信設(shè)備的不斷更新，對(duì)于通信開(kāi)關(guān)電源的要求也越來(lái)越高。通信開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)電源的干擾

通信開(kāi)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(lái)的干擾。一般來(lái)講，開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的干擾來(lái)源有：開(kāi)關(guān)電源的大功率開(kāi)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(guò)空間向外發(fā)射或通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)電源機(jī)殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過(guò)電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)，一起通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求。

3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題分析

通信開(kāi)關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，其引起電磁兼容性問(wèn)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(kāi)關(guān)電源的電磁干擾;同時(shí)，開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)電源中，主功率開(kāi)關(guān)管在高電壓、大電流或以高頻開(kāi)關(guān)方式工作下，開(kāi)關(guān)電壓及開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)并不是理想的，在高頻開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)管與散熱器問(wèn)的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。

通信開(kāi)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(wú)關(guān)，提高了功率因數(shù)，使性能更佳。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)降低電路開(kāi)關(guān)功耗，減少噪聲，提高電路的效率及可靠性。但是，軟開(kāi)關(guān)無(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性

減小通信開(kāi)關(guān)電源本身設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)部干擾：抑制高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)ZVS、零電流開(kāi)關(guān)ZCS和準(zhǔn)諧振ZVS/ZCS電路。該技術(shù)極大地降低了開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。利用組合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合的無(wú)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(kāi)關(guān)管波形整形;模擬與數(shù)字，高壓與低壓等的隔離。