阐述通信开关电源的电磁兼容性

摘要：随着通信事业的飞速发展，通信设备不断更新，人们对于通信开关电源的要求也越来高。 本文对通信电源电磁兼容性的问题进行分析测试,进一步提出通信电源电磁兼容性的改进设计与解决方法。

关键词：通信电源;电磁兼容性;分析测试;法改进设计；解决方法

中图分类号：E965 文献标识码：A

一．通信开关电源电磁干扰特点:

( 1) 整流或续流二极管及主功率变压器在高压、大电流及高频开关的方式下工作，其电流电压快速变化会造成干扰从而造成开关电源内部工作的不稳定而使电源的性能降低。

( 2) 收发天线的极化方向特性 EMC 辐射。通信开关电源受到: 9 kHz~ 30 MHz 的射频磁场干扰;30~ 1 000 MHz的射频电场干扰。

( 3) 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他高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰而引起其他设备工作出现异常。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空间传播时产生的辐射电磁场干扰量,使它们能与其他电信设备即处于同一环境中的，均能够正常工作且互不产生干扰。

二．电磁兼容性问题分析和测试

( 1)电磁兼容性问题分析 ：通信开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起电磁兼容性问题的原因是比较复杂的。电磁兼容产生的三个要素分别为：干扰源、传播途径及受干扰体。用于整流及续流的开关二极管,是产生高频干扰的一个重要原因，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及CPU、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。

( 2) 电源电磁兼容性标准和测试 ：我国通信电源执行的电磁兼容标准基本参照了IEC61000系列、EN55022、EN50091-2：1996等国际和欧洲标准。我国对通信电源电磁兼容执行的标准有：GB9254-1998“信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法”、YD/T983-1998“通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法”、GB/T14745-93“信息技术设备不间断电源通用技术条件”。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改进来进行分析研究。传导和辐射骚扰电压限值,抗扰度等级和判定准则尚未明确规定。

近年来进口的国外大、中型UPS不间断电源在国外电磁兼容检测机构测试时执行的是EN50091-2:1995欧洲标准,在我国新的国标未制定之前,参照国际或欧洲标准进行检测是可行的,对大型(额定输出电流大于400A)UPS辐射骚扰场强技术要求和限值,欧洲EN标准正在做进一步的研讨修定,如提出采用30m距离法给定测量结果等,传导骚扰的限值也正在考虑中。

测试中,UPS的工作状态应满足下列条件：额定输入电压;普通操作模式;额定输出功率的线性负载。

①静电放电抗扰度测试：依据标准：IEC 801-2:1991,最低要求：3级,判定准则：B类;

②射频电磁场抗扰度测试：依据标准：IEC 801-3:1984,最低要求：2级,判定准则：A类;

③电快速瞬变脉冲群抗扰度测试：依据标准：IEC 801-4:1988,最低要求：2级,判定准则：A类,这项测试应该在所有电源线和长度超过3m的电池连接线上进行;对于I/O信号和控制信号电缆的测试电平要被2除。测试应使用耦合钳,最小持续时间为1分钟。

④浪涌(冲击)抗扰度测试：依据标准为IEC 801-5;

⑤低频信号抗扰度测试：工作中的UPS应耐受电源线上的低频信号传导骚扰,依据的标准是IEC1000-2-2,其详细描述在标准的附录D中。

三． 通信开关电源的电磁兼容性改进设计

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,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(1.2/50us与8/20us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。

在频率不是很高的情况下,开关电源的骚扰源、耦合通道和受扰体实质上构成一多输入多输出的电网络,而将其分解为共模和差模骚扰来研究是对上述复杂网络的一种处理方法,这种处理方法在某种场合还比较合适。但是,将耦合通道分为共模和差模通道具有一定的局限性,虽然能测量出共模分量和差模分量,但共模分量和差模分量是由哪些元器件产生的,的确不易确定。因此有人用系统函数的方法来描述开关电源骚扰的耦合通道,即研究耦合通道的系统函数与各元器件的关系,建立耦合通道的电路模型。许多系统分析的结果,如灵敏度的分析、模态的分析等,都可用来研究开关电源的EMD的调试和预测。但是,用系统函数的方法分析骚扰的耦合通道,还需要做很多工作。

四．电磁兼容性解决方法

( 1) 解决开关电源内部的电磁兼容性减小通信开关电源本身设计时的内部干扰: 抑制高频开关变压器的噪声, 吸收缓冲, 降低漏感; 在电路设计时 PCB 的合理布线, 尽量不走环线; 干扰比较重的放在一起, 尽可能减小回路包容的面积; 正负导线尽可能接近; 增强输入/ 输出滤波电路的设计, 改善 APFC 电路的性能, 消除或者减小二极管的电流快速变化。

( 2) 消除电磁干扰, 提高开关电源的工作性能。常用的抑制方法有: 缓冲器法, 减少耦合路径法, 减少寄生元件法等。

五．总结

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。实现通信开关电源的电磁兼容,要限制由负载线、电源线产生的传导干扰及由空间传播产生的辐射电磁场干扰量,使之能与处于同一环境中的其它电信设备均能够正常工作,互不产生干扰。

参考文献

［1］�叶小舟.通信设备的电磁兼容性设计［J］.电子质量，2005,（2）.

［2］�周宏,黄盛霖，王晓伟.开关电源的电磁兼容分析及改进［J］.舰船电子对抗，2005,(2).

［3］�吴坤君,李玲霞,李强.通信电源的电磁兼容性［J］.四川兵工学报，2008，（3）.

［4］�傅健.混合集成电路三路DC-DC变换电路的研制,电子与通信工程［D］.北京工业大学,2008.