通信開關(guān)電源的EMC分析

0 引言

現(xiàn)代通信，電子、電氣設備的正常工作都離不開電源。通信電源在通信設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)絡中，是電子電氣設備正常工作的“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，對其他高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾，引起其他設備工作異常。

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)設備包通信開關(guān)電源設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計，PCB布線，元器件的性能等也會對通信，或其他電子、電氣設備產(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備內(nèi)部產(chǎn)生電磁場，從而造成設備內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使設備的性能降低。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)楦行浴２徽_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，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。