通信開關(guān)電源的電磁干擾分析及其有效抑制

閆曉兵，陳春梅，白雪艷，劉 鵬

（1.泰山科技學院 通信工程學院，山東 泰安 271000；2.泰山科技學院 智能工程學院，山東 泰安 271000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化時代正悄然來臨。無論是物聯(lián)網(wǎng)、云計算還是智能機器人，都是以通信系統(tǒng)來進行信號和信息傳輸?shù)摹Ｔ谕ㄐ畔到y(tǒng)各組成部分中，電源系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)設(shè)備，承擔著為系統(tǒng)工作提供持續(xù)能量的作用。電源系統(tǒng)的可靠性對于整個通信系統(tǒng)的信號發(fā)射與傳輸質(zhì)量有著決定性影響，只有電源系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定工作才能保證通信系統(tǒng)正常運行，避免由于通信故障而給正常的生產(chǎn)生活帶來影響甚至造成極大的經(jīng)濟損失?；诖?，通信系統(tǒng)的供電電源正面臨著智能化時代帶來的嚴峻考驗[1]。

1 電磁干擾產(chǎn)生的原因

1.1 開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾

開關(guān)電路是通信開關(guān)電源的核心部分，主要由高頻開關(guān)管和高頻變壓器組成。由于主功率開關(guān)管在高電壓大電流的高頻開關(guān)方式下工作，因此輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形方波。開關(guān)管導通瞬間會產(chǎn)生很大的涌流并出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓，開關(guān)管關(guān)斷瞬間則會使一部分能量通過初級線圈的漏磁通從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容與電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩并疊加在關(guān)斷電壓上，從而形成干擾[2]。開關(guān)電路在工作狀態(tài)變化時會產(chǎn)生信號頻率的突變。突變的信號頻率會進一步縮短高頻開關(guān)管和變壓器的信號處理時間，從而導致輸出波無法及時響應(yīng)輸入信號的激勵而產(chǎn)生畸變，形成關(guān)斷電壓尖峰[3]。

1.2 開關(guān)二極管產(chǎn)生的干擾

通信開關(guān)電源中高頻干擾產(chǎn)生的另一個重要來源就是用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管。開關(guān)二極管在電流頻率變化過程中，其內(nèi)部模擬器件的信號變化跟不上頻率變化的速度也會產(chǎn)生干擾。開關(guān)二極管干擾產(chǎn)生的原因主要是內(nèi)部載流子的變化，二極管由于電流電壓變化產(chǎn)生的干擾信號無法通過信號變換和平滑處理進行消除，會隨著信號的一直傳遞到電網(wǎng)中，從而產(chǎn)生諧波污染[4]。

1.3 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

電源線噪聲是電網(wǎng)中各種通信用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾沿著電源線傳播而形成的。電源線噪聲可以分為共模干擾和差模干擾兩大類。共模干擾電流不通過地線而是通過輸入電源線進行傳輸，而差模干擾電流則主要是通過地線和輸入電源線回路進行傳輸。通信設(shè)備供電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲可以對負載產(chǎn)生返回噪聲、輸出噪聲以及輻射干擾等。

2 抑制電磁干擾的有效措施

引起通信開關(guān)電源電磁干擾的因素較為復雜，對通信開關(guān)電源的電磁干擾進行有效抑制可以主要從減小干擾源的干擾強度和切斷干擾傳播途徑兩個方面進行。

2.1 減少輸入側(cè)干擾

為減小通信開關(guān)電源的輸入干擾，可以在輸入電路中增加安規(guī)Y電容和共模扼流圈，具體電路如圖1所示。

圖1 通信開關(guān)電源輸入電路

由圖1可知，在輸入側(cè)除設(shè)計有常規(guī)的濾波電容外，還增加了安規(guī)Y電容CY1～CY3，濾除L對地和N對地的共模干擾信號。安規(guī)Y電容可以使儲能輸出均勻化，降低負載需求，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾[5]。

在輸入側(cè)還設(shè)計有共模扼流圈T1和T2，主要用于隔離電器內(nèi)部與外線間的高頻串擾。當共模電流通過共模扼流圈時，EMI濾波發(fā)揮作用，此時可以有效消除信號導線之間的電磁輻射干擾，同時改變不同電感的疊加方式，起到噪聲屏蔽的作用。

2.2 減小功率管通/斷產(chǎn)生的干擾

通信開關(guān)電源的主要干擾來自功率開關(guān)管開通或關(guān)斷時的dv/dt，因此要設(shè)法減小功率開關(guān)管的電壓變化率。研究表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關(guān)變換器能更明顯地減少開關(guān)電源的干擾。在上述電路結(jié)構(gòu)下，還應(yīng)增加關(guān)斷緩沖電路，RCD緩沖電路如圖2所示。

圖2 RCD緩沖電路

當功率開關(guān)管分斷時，蓄積在寄生電感中的能量對開關(guān)管的寄生電容充電，開關(guān)管漏極電壓不斷上升。當電壓上升到一定電壓值時，吸收二極管TVS導通，開關(guān)管電壓被吸收二極管嵌位。當功率開關(guān)管導通時，吸收電容可通過電阻R進行放電[6]。由此可見，RCD緩沖電路是通過吸收二極管對開關(guān)管電壓進行嵌位，可以采用較大阻值的電阻，能量損耗較小。

2.3 減少輸出側(cè)產(chǎn)生的電磁干擾

為減少通信開關(guān)電源輸出側(cè)產(chǎn)生的電磁干擾，可以在高頻變壓器的輸出側(cè)增加電容與電阻串聯(lián)組成的吸收回路。吸收回路通常與整流二極管并聯(lián)，如圖3所示。

圖3 輸出吸收回路

輸出吸收回路能夠吸收因高步開關(guān)變壓器初級繞組產(chǎn)生的自感電勢，避免在開關(guān)管截止瞬間出現(xiàn)過高的反峰高電壓，可以有效抑制反向峰值電壓（浪涌電壓）對整流二極管的影響，從而避免因保護二極管耐壓不足所引起的損壞[7]。

2.4 減少PCB板自身的干擾

在元件布局時要充分考慮功率元件的擺放位置，不同類型的負載之間做好隔離，相同類型的負載在進行設(shè)計時可以適當縮短相互之間的距離，在共用電源的同時減少相互之間的輻射干擾。為了降低電路輻射干擾的大小，在進行布線時，需要盡量增大不同類型導線之間的距離，使電路有效通路相對截面積變小，從而減少電磁耦合干擾。在進行電路板設(shè)計時，可以串聯(lián)負載阻抗，中和電感電流引起的感性干擾，從而降低干擾源強度。

2.5 減少電源噪聲的產(chǎn)生

當電源電壓出現(xiàn)波動時也會產(chǎn)生干擾，電源電壓波動引起的干擾為：

隨著電源電壓不斷減小，瞬間電流不斷增大，所允許的最大電源阻抗也大大降低[8]。為了降低電源的電阻和電感，可以使用電阻率低的材料和較粗的電源線。除此之外，還要合理地使用去耦電容。

3 結(jié) 論

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全運行與通信電源系統(tǒng)的電磁兼容性能密切相關(guān)。隨著通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，通信電源系統(tǒng)的電磁兼容性問題變得越來越突出。實踐證明，通信電源產(chǎn)品只有滿足標準規(guī)定的抗擾度極限值的要求，在受到一定的電磁干擾時才不會出現(xiàn)性能下降或發(fā)生故障。此外，通信電源產(chǎn)品只有滿足標準規(guī)定的電磁極限值要求，對電磁環(huán)境才不會造成污染。