通信開關電源的電磁兼容性

通信開關電源的電磁兼容性

摘要：簡要介紹了通信開關電源的電磁兼容性要求、國內外標準、電磁兼容性的成因、研究解決方法及國內通信開關電源的電磁兼容性現(xiàn)狀。

關鍵詞：通信開關電源；電磁兼容性；標準

1引言

通信開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠程監(jiān)控等優(yōu)點，而廣泛應用于程控交換、光數(shù)據(jù)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動力核心。

隨著信息技術的發(fā)展，信息技術設備遍布大江南北，從發(fā)達的中心城市至偏遠山區(qū)，為人與人之間的溝通交流及信息傳輸提供了極大的便利。由于城鄉(xiāng)間的差異，通信設備的供電網既有穩(wěn)定的大電網供電方式，也有獨立的小水電供電方式。在小水電站供電方式下，因水量的變化、用戶用電量的變化較大及發(fā)電設備工作的不穩(wěn)定，造成電網波形失真嚴重及電壓波動大，同時因配電系統(tǒng)的接線不規(guī)范，對通信用開關電源形成了嚴峻的考驗。

鐵路通信及電力通信正在發(fā)展壯大。由于電力機車經過之處，產生很強的感應電壓，使地線電壓產生很大的波動，從而引起電網電壓的很大波動，強大的電場容易引起開關電源設備工作的瞬時不穩(wěn)定。在高壓電網附近運行的通信開關電源，雖然電網電壓穩(wěn)定，但容易受電網負載變化等引起的強電磁場的干擾影響。

用于基站的通信開關電源，由于多安裝在較高的建筑物上或山頂，更易受到雷電的襲擊。

因此，通信開關電源要有很強的抗電磁干擾能力，特別是對雷擊、浪涌、電網電壓波動的適應能力，而對靜電干擾、電場、磁場及電磁波等也要有足夠的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對通信設備供電的穩(wěn)定性。

另一方面，因通信開關電源內部的功率開關管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器，是在高壓、大電流及高頻開關的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。在高壓大電流的方波切換過程中，將產生嚴重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流一方面通過電源輸入線或開關電源的輸出線傳出，對與通信電源在同一電網上供電的其它設備及電網產生干擾，同時對由通信電源供電的設備如程控交換設備、無線基站、光傳輸設備及有線電視設備等產生干擾，使設備不能正常工作；另一方面嚴重的諧波電壓電流在開關電源內部產生電磁干擾，從而造成開關電源內部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關電源機殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾，引起其它設備工作異常。

因此，對通信開關電源，要限制由負載線、電源線產生的傳導干擾及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的電信設備均能夠正常工作，互不干擾。

2國內外電磁兼容性標準

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)境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。

要徹底消除設備的電磁干擾及對外部一切電磁干擾信號不敏感是不可能的。只能通過系統(tǒng)地制訂設備與設備之間的相互允許產生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標準，才能使電氣設備及系統(tǒng)間達到電磁兼容性的要求。國內外大量的電磁兼容性標準，為系統(tǒng)內的設備相互達到電磁兼容性制訂了約束條件。

國際無線電干擾特別委員會（CISPR）是國際電工委員會（IEC）下屬的一個電磁兼容標準化組織，早在1934年就開展EMC標準的研究，下設六個分會。其中第六分會（SCC）主要負責制訂關于干擾測量接收機及測量方法的標準。CISPR16《無線電干擾和抗擾度測量設備規(guī)范》對電磁兼容性測量接收機、輔助設備的性能以及校準方法給出了詳細的要求。CISPR17《無線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測量》制訂了濾波器的測量方法。CISPR22《信息技術設備的無線電干擾限值和測量方法》規(guī)定了信息技術設備在0.15～1000MHz頻率范圍內產生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》規(guī)定了信息技術設備對外部干擾信號的時域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構成了信息技術設備包括通信開關電源設備的電磁兼容性測試內容及測試方法要求，是目前通信開關電源電磁兼容性設計的最基本要求。

IEC最近也出版了大量的基礎性電磁兼容性標準，其中最有代表性的是IEC61000系列標準。它規(guī)定電子電氣設備的雷擊、浪涌（SURGE）、靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT）、電流諧波、電壓跌落、電壓瞬變及短時中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場、由射頻電磁場引起的傳導干擾抗擾度、傳導干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。

另外，美國聯(lián)邦委員會制訂的FCC15、德國電氣工程師協(xié)會制訂的VDE0871？2A1、VDE0871？2A2、VDE0878，都對通信設備的電磁兼容性提出了要求。

我國對電磁兼容性標準的研究比較晚。采取的最主要的辦法是引進、消化、吸收，洋為中用是國內電磁兼容性標準制訂的最主要方法。1998年，信息產業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標準及ITU？TO.41標準，制訂了YD/T983？1998《通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法》，詳盡規(guī)定了通信電源設備包括通信開關電源的電磁兼容性的具體測試項目、要求及測試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗、達標并通過入網檢測明確了設計目標。

國標也等同采用了相應的國際標準。如GB/T17626.1～12系列標準等同采用了IEC61000系列標準；GB9254？1998《信息技術設備的無線電干擾限值及測量方法》等同采用CISPR22；GB/T17618？1998《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》等同采用CISPR24。

3開關電源的電磁兼容性問題

通信開關電源因工作在高電壓大電流的開關狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當復雜的。從整機的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產生的三個要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。共阻抗耦合主要是干擾源與受干擾體在電氣上存在共同阻抗，通過該阻抗使干擾信號進入受干擾對象。線間耦合主要是產生干擾電壓及干擾電流的導線或PCB線，因并行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產生的感應電場對受干擾體產生的耦合。磁場耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產生的低頻磁場對干擾對象產生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對相應的受干擾體產生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區(qū)分的，只是側重點不同而已。

在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關器件的工作狀態(tài)并非理想，在高頻開或關時，常常產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關二極管，也是產生高頻干擾的一個重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，而產生高頻振蕩。因整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。

通信開關電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應力，大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大地降低了開關器件所產生的電磁干擾。但是，軟開關無損吸收電路多利用L、C進行能量轉移，利用二極管的單向導電性能實現(xiàn)能量的單向轉換，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，也是產生電磁干擾的一個原因。

通信開關電源由于功率密度高、智能化程度高，帶MCU微處理器，因而，其中有從高至近千伏到低至幾伏的電壓信號，從高頻的數(shù)字信號至低頻的模擬信號，電源內部的場分布相當復雜。PCB布線不合理、結構設計不合理、電源線輸入濾波不合理、輸入輸出電源線布線不合理、CPU及檢測電路的設計不合理，均會導致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。

4電磁兼容性研究及解決方法

電磁兼容性的研究，一般運用CISPR16及IEC61000中規(guī)定的電磁場檢測儀器及各種干擾信號模擬器、輔助設備，在標準測試場地或實驗室內部，通過詳盡的測試分析、結合對電路性能的理解來進行分析研究。

從電磁兼容性的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性，可從三個方面入手。

1）減小干擾源產生的干擾信號；

2）切斷干擾信號的傳播途徑；

3）增強受干擾體的抗干擾能力。

在解決開關電源內部的電磁兼容性時，可以綜合運用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。對開關電源產生的對外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導干擾、電磁場輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入輸出濾波電路的設計，改善有源功率因數(shù)校正（APFC）電路的性能，減小開關管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率，采用各種軟開關電路拓撲及控制方式等。另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進行良好的接地處理。而對外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊應優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，可采用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來解決?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼念l譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波（如加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

減小開關電源的內部干擾，實現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩(wěn)定性及可靠性，應從以下幾個方面入手：注意數(shù)字電路與模擬電路PCB布線的正確分區(qū)、數(shù)字電路與模擬電路電源的正確去耦；注意數(shù)字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響；布線時注意相鄰線間的間距及信號性質，避免產生串擾；減小地線阻抗；減小高壓大電流電路特別是變壓器原邊與開關管、電源濾波電容電路所包圍的面積；減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積；減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容；采用諧振頻率高的濾波電容器等。

MCU與液晶顯示器的數(shù)據(jù)線、地址線工作頻率較高，是產生輻射的主要干擾源；小信號電路是抗外界干擾的最薄弱環(huán)節(jié)，適當?shù)卦黾痈呖垢蓴_能力的TVS及高頻電容、鐵氧體磁珠等元器件，以提高小信號電路的抗干擾能力；與機殼距離較近的小信號電路，應加適當?shù)慕^緣耐壓處理等。功率器件的散熱器、主變壓器的電磁屏蔽層要適當接地，綜合考慮各種接地措施，有助于提高整機的電磁兼容性。各控制單元間的大面積接地用接地板屏蔽，可以改善開關電源內部工作的穩(wěn)定性。

在整流器的機架上，要考慮各整流器間的電磁耦合、整機地線布置、交流輸入中線、地線及直流地線、防雷地線間的正確關系、電磁兼容量級的正確分配等。

開關電源對內、外的干擾及抗干擾中，共模信號與開關器件的工作方式、散熱器的安裝及整機PCB板與機殼的連接有相當復雜的關系，共模信號在一定的條件下又可轉變成差模信號。解決共模干擾最簡單的方法是解決好各電路單元及整機端口、機殼間的問題。整機屏蔽難以實施且成本較高，在無可奈何的情況下才采用該措施。

5國內通信開關電源的電磁兼容性改進現(xiàn)狀

自YD/T983標準開始起草以來，國內通信電源制造商紛紛開始電磁兼容性的研究。由于電磁兼容性測試儀器、試驗場地建設費用很高，且需要有經驗的研發(fā)人員，很多制造商都沒有自己的試驗室，對電磁兼容性的研究造成了一定的困難。YD/T983標準中，抗擾度指標選用了國外標準中較低等級。除雷擊浪涌、ESD及EFT指標外，其它抗擾度指標均比較容易達到要求。電磁干擾指標如傳導干擾及輻射干擾指標，由于很難滿足標準的要求，是目前電磁兼容性研究的熱點，國內只有極少數(shù)的廠家可以完全達到相關標準的要求。

中興通訊建立了自己的電磁兼容性試驗室，在通信開關電源研發(fā)的初期，就致力于電磁兼容性的研究工作。其通信開關電源的前級運用最先進的有源功率因數(shù)校正技術加無損吸收電路，后級DC/DC采用零電壓零電流（ZVZCS）相移諧振軟開關技術或雙管正激無損吸收軟開關技術，通過專業(yè)的電源輸入輸出濾波器設計及防雷設計，以及對整機的安全性、數(shù)字接口電路的抗靜電設計及抗快速瞬變脈沖群設計，對整機結構恰到好處的電磁屏蔽設計，不僅使整機內部的電磁環(huán)境良好，工作穩(wěn)定，可靠性提高，也使通信開關電源對外的電流諧波、電起伏和閃爍、傳導干擾及輻射干擾達到或超過CISPR22標準規(guī)定的A級要求。輸入交流電源線能夠承受至少±6kV（1.2/50μs與8/20μs的綜合波）浪涌電壓干擾，直流電源線能夠承受至少±2kV的浪涌電壓；整機外部能夠承受至少±8kV的靜電放電（ESD）干擾、至少±4kV的電快速瞬變脈沖群（EFT），以及3V/m的高頻電磁場干擾，300A/m的工頻磁場干擾。寬廣的交流輸入電壓范圍，使整機的電壓跌落、電壓瞬變及電壓短時中斷等干擾過后，開關電源能夠正常工作。專業(yè)采自全國各地的電網干擾電壓，均在中興開關電源上經過了驗證分析。

中興通訊系列開關電源的電磁兼容性指標，已完全滿足并超過了YD/T983－1998《通信開關電源設備電磁兼容性要求及測量方法》中所規(guī)定的所有項目的指標，部分產品已通過CE認證及FCC認證中的全部電磁兼容性指標，是真正的環(huán)保型通信開關電源，特別適合于移動基站、程控交換設備、IP電話、有線電視等數(shù)據(jù)通信傳輸設備以及鐵路、水電、火電站等強電磁場干擾的場合使用。