通信开关电源的电磁兼容性

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通信开关电源的电磁兼容性

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 9:27:22

康希荣
深圳市中兴通讯股份有限公司，广东深圳518004

1引言
  通信开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、工作可靠、可远程监控等优点，而广泛应用于程控交换、光数据传输、无线基站、有线电视系统及IP网络中，是信息技术设备正常工作的动力核心。
   随着信息技术的发展，信息技术设备遍布大江南北，从发达的中心城市至偏远山区，为人与人之间的沟通交流及信息传输提供了极大的便利。由于城乡间的差异，通信设备的供电网既有稳定的大电网供电方式，也有独立的小水电供电方式。在小水电站供电方式下，因水量的变化、用户用电量的变化较大及发电设备工作的不稳定，造成电网波形失真严重及电压波动大，同时因配电系统的接线不规范，对通信用开关电源形成了严峻的考验。
   铁路通信及电力通信正在发展壮大。由于电力机车经过之处，产生很强的感应电压，使地线电压产生很大的波动，从而引起电网电压的很大波动，强大的电场容易引起开关电源设备工作的瞬时不稳定。在高压电网附近运行的通信开关电源，虽然电网电压稳定，但容易受电网负载变化等引起的强电磁场的干扰影响。
   用于基站的通信开关电源，由于多安装在较高的建筑物上或山顶，更易受到雷电的袭击。
   因此，通信开关电源要有很强的抗电磁干扰能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压波动的适应能力，而对静电干扰、电场、磁场及电磁波等也要有足够的抗干扰能力，保证自身能够正常工作以及对通信设备供电的稳定性。
   另一方面，因通信开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器，是在高压、大电流及高频开关的方式下工作，其电压电流波形多为方波。在高压大电流的方波切换过程中，将产生严重的谐波电压及电流。这些谐波电压及电流一方面通过电源输入线或开关电源的输出线传出，对与通信电源在同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰，同时对由通信电源供电的设备如程控交换设备、无线基站、光传输设备及有线电视设备等产生干扰，使设备不能正常工作；另一方面严重的谐波电压电流在开关电源内部产生电磁干扰，从而造成开关电源内部工作的不稳定，使电源的性能降低。还有部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙，向周围空间辐射，与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场，一起通过空间传播的方式，对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰，引起其它设备工作异常。
   因此，对通信开关电源，要限制由负载线、电源线产生的传导干扰及由辐射传播的电磁场干扰，使处于同一电磁环境中的电信设备均能够正常工作，互不干扰。
2国内外电磁兼容性标准
  电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。
   要彻底消除设备的电磁干扰及对外部一切电磁干扰信号不敏感是不可能的。只能通过系统地制订设备与设备之间的相互允许产生的电磁干扰大小及抵抗电磁干扰的能力的标准，才能使电气设备及系统间达到电磁兼容性的要求。国内外大量的电磁兼容性标准，为系统内的设备相互达到电磁兼容性制订了约束条件。
   国际无线电干扰特别委员会（CISPR）是国际电工委员会（IEC）下属的一个电磁兼容标准化组织，早在1934年就开展EMC标准的研究，下设六个分会。其中第六分会（SCC）主要负责制订关于干扰测量接收机及测量方法的标准。CISPR16《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》对电磁兼容性测量接收机、辅助设备的性能以及校准方法给出了详细的要求。CISPR17《无线电干扰滤波器及抑制元件的抑制特性测量》制订了滤波器的测量方法。CISPR22《信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法》规定了信息技术设备在0.15～1000MHz频率范围内产生的电磁干扰限值。CISPR24《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》规定了信息技术设备对外部干扰信号的时域及频域的抗干扰性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24构成了信息技术设备包括通信开关电源设备的电磁兼容性测试内容及测试方法要求，是目前通信开关电源电磁兼容性设计的最基本要求。
   IEC最近也出版了大量的基础性电磁兼容性标准，其中最有代表性的是IEC61000系列标准。它规定电子电气设备的雷击、浪涌（ SURGE）、静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）、电流谐波、电压跌落、电压瞬变及短时中断、电压起伏和闪烁、辐射电磁场、由射频电磁场引起的传导干扰抗扰度、传导干扰及辐射干扰等的电磁兼容性要求。
   另外，美国联邦委员会制订的FCC15、德国电气工程师协会制订的VDE08712A1、VDE08712A2、VDE0878，都对通信设备的电磁兼容性提出了要求。
   我国对电磁兼容性标准的研究比较晚。采取的最主要的办法是引进、消化、吸收，洋为中用是国内电磁兼容性标准制订的最主要方法。1998年，信息产业部根据CISPR22、IEC61000系列标准及ITUTO.41标准，制订了YD/T9831998《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》，详尽规定了通信电源设备包括通信开关电源的电磁兼容性的具体测试项目、要求及测试方法，为通信电源电磁兼容性的检验、达标并通过入网检测明确了设计目标。
   国标也等同采用了相应的国际标准。如GB/T17626.1～12系列标准等同采用了IEC61000系列标准；GB92541998《信息技术设备的无线电干扰限值及测量方法》等同采用CISPR22；GB/T176181998《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》等同采用CISPR24。
3开关电源的电磁兼容性问题
  通信开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。电磁兼容产生的三个要素为：干扰源、传播途径及受干扰体。共阻抗耦合主要是干扰源与受干扰体在电气上存在共同阻抗，通过该阻抗使干扰信号进入受干扰对象。线间耦合主要是产生干扰电压及干扰电流的导线或PCB线，因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的感应电场对受干扰体产生的耦合。磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。而电磁波耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。
   在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关电压及开关电流均为方波，该方波所含的高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。同时，由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状态并非理想，在高频开或关时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管，也是产生高频干扰的一个重要原因。因整流及续流二极管工作在高频开关状态，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，而产生高频振荡。因整流及续流二极管一般离电源输出线较近，其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。
   通信开关电源为了提高功率因数，均采用了有源功率因数校正电路。同时，为了提高电路的效率及可靠性，减小功率器件的电应力，大量采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零电压零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大地降低了开关器件所产生的电磁干扰。但是，软开关无损吸收电路多利用L、C进行能量转移，利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换，因而，该谐振电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。
   通信开关电源中，一般利用储能电感及电容器组成L、C滤波电路，实现对差模及共模干扰信号的滤波，以及交流方波信号转换为平滑的直流信号。由于电感线圈的分布电容，导致了电感线圈的自谐振频率降低，从而使大量的高频干扰信号穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器，随着干扰信号频率的上升，由于引线电感的作用，导致电容量及滤波效果不断下降，直至达到谐振频率以上时，完全失去电容器的作用而变为感性。不正确地使用滤波电容及引线过长，也是产生电磁干扰的一个原因。
   通信开关电源由于功率密度高、智能化程度高，带MCU微处理器，因而，其中有从高至近千伏到低至几伏的电压信号，从高频的数字信号至低频的模拟信号，电源内部的场分布相当复杂。PCB布线不合理、结构设计不合理、电源线输入滤波不合理、输入输出电源线布线不合理、CPU及检测电路的设计不合理，均会导致系统工作的不稳定或降低对静电放电、电快速瞬变脉冲群、雷击、浪涌及传导干扰、辐射干扰及辐射电磁场等的抗扰性能力。
4电磁兼容性研究及解决方法
  电磁兼容性的研究，一般运用CISPR16及IEC61000中规定的电磁场检测仪器及各种干扰信号模拟器、辅助设备，在标准测试场地或实验室内部，通过详尽的测试分析、结合对电路性能的理解来进行分析研究。
   从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三个方面入手。
   1）减小干扰源产生的干扰信号；
   2）切断干扰信号的传播途径；
   3）增强受干扰体的抗干扰能力。
   在解决开关电源内部的电磁兼容性时，可以综合运用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。对开关电源产生的对外干扰，如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等，只能用减小干扰源的方法来解决。一方面，可以增强输入输出滤波电路的设计，改善有源功率因数校正（APFC）电路的性能，减小开关管及整流续流二极管的电压电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。而对外部的抗干扰能力，如浪涌、雷击应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力。通常，对1.2/50μs开路电压及8/20μs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，可采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决。对于静电放电，通常在通信端口及控制端口的小信号电路中，采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离，或选用具有抗静电干扰的器件来解决。快速瞬变信号含有很宽的频谱，很容易以共模的方式传入控制电路内，采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波（如加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等）来提高系统的抗扰性能。
   减小开关电源的内部干扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面入手：注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确分区、数字电路与模拟电路电源的正确去耦；注意数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰、减小地环的影响；布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰；减小地线阻抗；减小高压大电流电路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积；减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积；减小变压器的漏电感、滤波电感的分布电容；采用谐振频率高的滤波电容器等。
   MCU与液晶显示器的数据线、地址线工作频率较高，是产生辐射的主要干扰源；小信号电路是抗外界干扰的最薄弱环节，适当地增加高抗干扰能力的TVS及高频电容、铁氧体磁珠等元器件，以提高小信号电路的抗干扰能力；与机壳距离较近的小信号电路，应加适当的绝缘耐压处理等。功率器件的散热器、主变压器的电磁屏蔽层要适当接地，综合考虑各种接地措施，有助于提高整机的电磁兼容性。各控制单元间的大面积接地用接地板屏蔽，可以改善开关电源内部工作的稳定性。
   在整流器的机架上，要考虑各整流器间的电磁耦合、整机地线布置、交流输入中线、地线及直流地线、防雷地线间的正确关系、电磁兼容量级的正确分配等。
   开关电源对内、外的干扰及抗干扰中，共模信号与开关器件的工作方式、散热器的安装及整机PCB板与机壳的连接有相当复杂的关系，共模信号在一定的条件下又可转变成差模信号。解决共模干扰最简单的方法是解决好各电路单元及整机端口、机壳间的问题。整机屏蔽难以实施且成本较高，在无可奈何的情况下才采用该措施。
5国内通信开关电源的电磁兼容性改进现状
  自YD/T983标准开始起草以来，国内通信电源制造商纷纷开始电磁兼容性的研究。由于电磁兼容性测试仪器、试验场地建设费用很高，且需要有经验的研发人员，很多制造商都没有自己的试验室，对电磁兼容性的研究造成了一定的困难。YD/T983标准中，抗扰度指标选用了国外标准中较低等级。除雷击浪涌、 ESD及EFT指标外，其它抗扰度指标均比较容易达到要求。电磁干扰指标如传导干扰及辐射干扰指标，由于很难满足标准的要求，是目前电磁兼容性研究的热点，国内只有极少数的厂家可以完全达到相关标准的要求。
   中兴通讯建立了自己的电磁兼容性试验室，在通信开关电源研发的初期，就致力于电磁兼容性的研究工作。其通信开关电源的前级运用最先进的有源功率因数校正技术加无损吸收电路，后级DC/DC采用零电压零电流（ ZVZCS）相移谐振软开关技术或双管正激无损吸收软开关技术，通过专业的电源输入输出滤波器设计及防雷设计，以及对整机的安全性、数字接口电路的抗静电设计及抗快速瞬变脉冲群设计，对整机结构恰到好处的电磁屏蔽设计，不仅使整机内部的电磁环境良好，工作稳定，可靠性提高，也使通信开关电源对外的电流谐波、电起伏和闪烁、传导干扰及辐射干扰达到或超过CISPR22标准规定的A级要求。输入交流电源线能够承受至少±6kV（1.2/50μs与 8/20μs的综合波）浪涌电压干扰，直流电源线能够承受至少±2kV的浪涌电压；整机外部能够承受至少±8kV的静电放电（ESD）干扰、至少±4kV的电快速瞬变脉冲群（EFT），以及3V/m的高频电磁场干扰，300A/m的工频磁场干扰。宽广的交流输入电压范围，使整机的电压跌落、电压瞬变及电压短时中断等干扰过后，开关电源能够正常工作。专业采自全国各地的电网干扰电压，均在中兴开关电源上经过了验证分析。
   中兴通讯系列开关电源的电磁兼容性指标，已完全满足并超过了YD/T983－ 1998《通信开关电源设备电磁兼容性要求及测量方法》中所规定的所有项目的指标，部分产品已通过CE认证及FCC认证中的全部电磁兼容性指标，是真正的环保型通信开关电源，特别适合于移动基站、程控交换设备、IP电话、有线电视等数据通信传输设备以及铁路、水电、火电站等强电磁场干扰的场合使用。

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