基于接地設(shè)計優(yōu)化的高頻開關(guān)電源電磁干擾抑制分析

勞曾霞 陳 宇

（1.廣東中質(zhì)檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣州珠江電信設(shè)備制造有限公司，廣東 廣州 510540）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信用高頻開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛。因工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，通信用高頻開關(guān)電源容易因電磁干擾而導(dǎo)致工作不正常甚至損壞。在我國，有許多邊遠(yuǎn)落后地區(qū)使用小水電來供電，市電電壓極不穩(wěn)定，長時間處于低電壓或頻繁大幅度波動的狀態(tài)。為了保證通信設(shè)備的正常工作，通信基站用高頻開關(guān)電源應(yīng)具有輸入適應(yīng)范圍寬、輸出穩(wěn)定及抗電磁干擾能力強(qiáng)的特性。筆者在研制某型號高頻開關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)品過程中，曾遇到因電磁干擾導(dǎo)致在低輸入電壓工作時部分整流模塊出現(xiàn)異常的情況，后通過優(yōu)化接地設(shè)計抑制了電磁干擾，使開關(guān)電源系統(tǒng)能夠在寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠工作。該型號產(chǎn)品量產(chǎn)后，順利通過市科技項目鑒定及驗收，大批量產(chǎn)品投入到全國各地的移動基站使用，經(jīng)受了各種惡劣條件的長時間考驗，實踐證明，優(yōu)化接地設(shè)計能有效抑制電磁干擾。

1 整流模塊的主要組成、安全接地、內(nèi)部信號參考地及隔離方法

筆者研制的該型號產(chǎn)品由12個并聯(lián)工作的高頻開關(guān)電源（以下簡稱整流模塊）、機(jī)架、三相輸入配電、直流輸出配電及監(jiān)控模塊等組成。整流模塊的額定輸出電壓／電流：48 V／30 A（或24 V／60 A）；市電輸入工作范圍：AC100～300 V（低市電AC100～175 V限制功率輸出，其中AC100～130 V限制功率輸出為55%額定功率）。

1.1 整流模塊的主要組成

整流模塊主要由2級LC輸入濾波電路、整流與慢啟動電路、有源功率校正電路（PFC主回路及控制電路）、輔助電源、低市電限制功率電路、DC／DC變換及其控制電路等組成。圖1為未優(yōu)化接地設(shè)計的整流模塊框圖。其中的低市電限制功率輸出是對整流模塊的保護(hù)，其能避免整流模塊工作在低輸入市電范圍時因輸入電流過大損壞。電路由運(yùn)放U1、穩(wěn)壓器U4、二極管D1及光耦I(lǐng)SO1等組成，如圖2所示。經(jīng)過R1取樣，當(dāng)市電降低使U1比較器的“－”相輸入電壓比基準(zhǔn)Vr低時，輸出VD由低電平變高電平，光電耦合器ISO1導(dǎo)通，產(chǎn)生限流電壓送到DC／DC變換控制部分的限流電路，以限制整流模塊的功率輸出。

1.2 整流模塊的安全接地

整流模塊內(nèi)部濾波電路的共模電容、外殼連接整流模塊的接地插針，當(dāng)整流模塊插入機(jī)架后和機(jī)架系統(tǒng)的地線銅排（低阻通路）連接到大地，其目的是保障設(shè)備及人的安全。

1.3 整流模塊內(nèi)部的信號參考地及隔離方法

1.3.1 整流模塊內(nèi)部的信號參考地

圖1 整流模塊的安全接地、內(nèi)部信號參考地及隔離方法（改進(jìn)前）

圖2 低市電限功率簡化電路（改進(jìn)前）

信號參考地是為了使電路正常工作，所有信號都需要的公共參考點(diǎn)或面，用以提供電路公共地回路。要求電路接地對所有工作頻率都表現(xiàn)為低阻抗特性。具體是：高電平大功率地PGND（PFC主回路及其控制電路、DC／DC變換及輔助電源初級等）；低電平直流地AGND（DC／DC變換控制電路、輔助電源次級）。

1.3.2 整流模塊內(nèi)部的隔離方法

交流市電輸入AC（電網(wǎng)端）與直流輸出DC（負(fù)載端）由主功率開關(guān)變壓器Tr1隔離，這是電源系統(tǒng)EMC的要求；輸入端高電平浮地PGND的主回路與輸出端低電平浮地AGND的控制驅(qū)動電路可由門脈沖驅(qū)動變壓器Tr3或光電耦合器隔離，這是系統(tǒng)內(nèi)EMC的要求；PGND的檢測電路與AGND的控制電路可由光電耦合器ISO1隔離，這是系統(tǒng)內(nèi)EMC的要求。

2 電磁干擾典型實例、原因分析及抑制措施

研制過程的測試驗證階段發(fā)現(xiàn)，單個開關(guān)電源工作正常，各項性能指標(biāo)均符合設(shè)計任務(wù)書要求，而多個整流模塊裝入機(jī)架系統(tǒng)三相并機(jī)工作并且將輸入電壓降到AC130 V以下，或從100 V開機(jī)電壓上升至低于AC130 V時，偶然會出現(xiàn)一相或兩相的同相內(nèi)整流模塊低市電限功率電路失效，并有同相內(nèi)整流模塊相互干擾的情況。具體表現(xiàn)是：低市電限功率電路中的運(yùn)放U1在低市電輸入AC130 V以下時，其輸出VD沒有跳變到高電平，沒有限流電壓送到DC／DC控制的限流電路，以致整流模塊的輸出功率沒有限制。此時可以聽到整流模塊內(nèi)部的高頻嘯叫聲，用示波器可以觀察到整流模塊輸入電壓的波形，發(fā)現(xiàn)正弦波局部有頻率大約為10 k Hz的諧振，如圖3所示。這是由于整流模塊的內(nèi)部電感電容諧振通過輸入線干擾了外部的同相整流模塊，而同相整流模塊的相互干擾也加劇了內(nèi)部對低市電限功率電路的干擾。此時，整流模塊內(nèi)部主電路和低市電限功率電路之間、2整流模塊之間進(jìn)入了相互干擾的惡性循環(huán)。如果不盡快退出這種工作狀態(tài)，將由于輸入電流過大導(dǎo)致PFC的儲能電感、電流傳感磁芯飽和，導(dǎo)致功率開關(guān)管損壞及整流模塊故障。

圖3 低市電輸入時電壓干擾波形示意圖

要解決電磁干擾問題，就要從干擾的要素著手：第一是抑制電磁干擾源，第二是切斷傳播通道（耦合途徑），第三是提高受感體（敏感設(shè)備）抗擾度。人們使用的抑制干擾的技術(shù)有濾波技術(shù)、接地技術(shù)和屏蔽技術(shù)，其中屏蔽技術(shù)是抑制輻射干擾的主要措施。顯然，這里要抑制的是傳導(dǎo)干擾，常用的濾波技術(shù)是根據(jù)有用信號和干擾信號的不同頻譜，而采用濾波器將干擾濾除。筆者在調(diào)試并尋求解決方法時，也嘗試在低市電傳感比較的輸入端增加濾波將干擾濾除，以及對整流模塊的2級輸入濾波電路進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，但由于干擾幅度不小，受空間位置及其他因素的限制，沒有取得預(yù)期效果。

分析PFC主電路、DC／DC變換電路與低市電傳感比較電路的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，PFC主電路、DC／DC變換電路的電壓為400 V，開關(guān)應(yīng)力dv／dt、dv／di很大，如：dv→400 V，dt→1μs，則開關(guān)應(yīng)力達(dá)dv／dt＝400 V／μs，而低市電傳感比較電路的工作電壓VC為低壓15 V。可見，PFC主電路、DC／DC變換電路為高電平強(qiáng)功率電路，而低市電傳感比較電路為低電平弱功率電路。當(dāng)高電平強(qiáng)功率電路工作在大電流狀態(tài)（如市電降低）時，由于接地阻抗的作用接地電壓增加，電磁干擾增加，造成低市電傳感比較電路失效，也導(dǎo)致整流模塊的輸入電流過大，PFC儲能電感與內(nèi)部的電容產(chǎn)生諧振，干擾同相模塊，同時儲能電感工作過熱發(fā)出高頻嘯叫聲。

為了徹底抑制上述電磁干擾，從源頭上解決電磁干擾問題，采取了將低市電傳感比較電路從PFC主電路分離出來的方法，把原來從整流之后取樣改為從整流之前取樣，經(jīng)半波整流并濾波，另設(shè)獨(dú)立的參考地PN，其他電路結(jié)構(gòu)基本不變，具體如圖4、圖5所示。重新設(shè)計排布印制板，仔細(xì)選擇接地點(diǎn)或采用接地面，設(shè)計排布順序遵循地線、電源線、信號線、控制線的原則，確保接地阻抗最小。經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計，低市電傳感比較電路工作正常，在低市電輸入AC130 V以下時正常送出限流電壓，使整流模塊的功率限制電路正常工作，并完全消除同相內(nèi)整流模塊的干擾，保證了整個電源系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性。

圖4 整流模塊的安全接地、內(nèi)部信號參考地及隔離方法（改進(jìn)后）

圖5 低市電限功率簡化電路（改進(jìn)后）

3 結(jié)語

采取上述措施進(jìn)行接地的優(yōu)化設(shè)計，幾乎不用增加元器件，也沒有增加空間位置，既抑制了電磁干擾，又提高了受感體的抗擾度。實踐證明，合理、良好的接地設(shè)計，是一種簡單可行、成本低且有效的抑制電磁干擾的好方法。

理想接地體是指零阻抗（傳導(dǎo)干擾）和零電位（輻射干擾）的物理實體，所以大地是理想接地體。但實際上，不可能將信號電平的基準(zhǔn)點(diǎn)都接至大地接地體，所以，有各種抑制電磁干擾的接地技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品集成度越來越高、密度越來越大，電路功能塊之間、設(shè)備之間的電磁干擾問題日益突出，接地設(shè)計將日益重要并需不斷探索。