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通信開關(guān)電源的電磁兼容性論文
摘要：簡(jiǎn)要介紹了通信開關(guān)電源的電磁兼容性要求、國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、電磁兼容性的成因、研究解決方法及國(guó)內(nèi)通信開關(guān)電源的電磁兼容性現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：通信開關(guān)電源 電磁兼容性 標(biāo)準(zhǔn)
1引言
通信開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于程控交換、光數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中，是信息技術(shù)設(shè)備正常工作的動(dòng)力核心。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)設(shè)備遍布大江南北，從發(fā)達(dá)的中心城市至偏遠(yuǎn)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(shè)備的供電網(wǎng)既有穩(wěn)定的大電網(wǎng)供電方式，也有獨(dú)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(shè)備工作的不穩(wěn)定，造成電網(wǎng)波形失真嚴(yán)重及電壓波動(dòng)大，同時(shí)因配電系統(tǒng)的接線不規(guī)范，對(duì)通信用開關(guān)電源形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
鐵路通信及電力通信正在發(fā)展壯大。由于電力機(jī)車經(jīng)過之處，產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓，使地線電壓產(chǎn)生很大的波動(dòng)，從而引起電網(wǎng)電壓的很大波動(dòng)，強(qiáng)大的電場(chǎng)容易引起開關(guān)電源設(shè)備工作的瞬時(shí)不穩(wěn)定。在高壓電網(wǎng)附近運(yùn)行的通信開關(guān)電源，雖然電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，但容易受電網(wǎng)負(fù)載變化等引起的強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾影響。
用于基站的通信開關(guān)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(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，特別是對(duì)雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力，而對(duì)靜電干擾、電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(duì)通信設(shè)備供電的穩(wěn)定性。
另一方面，因通信開關(guān)電源內(nèi)部的功率開關(guān)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(guān)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(chǎn)生嚴(yán)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(guān)電源的輸出線傳出，對(duì)與通信電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)備及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，同時(shí)對(duì)由通信電源供電的設(shè)備如程控交換設(shè)備、無(wú)線基站、光傳輸設(shè)備及有線電視設(shè)備等產(chǎn)生干擾，使設(shè)備不能正常工作；另一方面嚴(yán)重的諧波電壓電流在開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場(chǎng)通過開關(guān)電源機(jī)殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)，一起通過空間傳播的方式，對(duì)其它高頻設(shè)備及對(duì)電磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其它設(shè)備工作異常。
因此，對(duì)通信開關(guān)電源，要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾及由輻射傳播的電磁場(chǎng)干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的電信設(shè)備均能夠正常工作，互不干擾。
2國(guó)內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)
電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。
要徹底消除設(shè)備的電磁干擾及對(duì)外部一切電磁干擾信號(hào)不敏感是不可能的。只能通過系統(tǒng)地制訂設(shè)備與設(shè)備之間的相互允許產(chǎn)生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標(biāo)準(zhǔn)，才能使電氣設(shè)備及系統(tǒng)間達(dá)到電磁兼容性的要求。國(guó)內(nèi)外大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件。
國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）下屬的一個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化組織，早在1934年就開展EMC標(biāo)準(zhǔn)的研究，下設(shè)六個(gè)分會(huì)。其中第六分會(huì)（SCC）主要負(fù)責(zé)制訂關(guān)于干擾測(cè)量接收機(jī)及測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)。CISPR16《無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范》對(duì)電磁兼容性測(cè)量接收機(jī)、輔助設(shè)備的性能以及校準(zhǔn)方法給出了詳細(xì)的要求。CISPR17《無(wú)線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測(cè)量》制訂了濾波器的測(cè)量方法。CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電干擾限值和測(cè)量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15～1000MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備對(duì)外部干擾信號(hào)的時(shí)域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包括通信開關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求。
IEC最近也出版了大量的基礎(chǔ)性電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的是IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定電子電氣設(shè)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(shí)中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場(chǎng)、由射頻電磁場(chǎng)引起的傳導(dǎo)干擾抗擾度、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。
另外，美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)制訂的FCC15、德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)制訂的VDE08712A1、VDE08712A2、VDE0878，都對(duì)通信設(shè)備的電磁兼容性提出了要求。
我國(guó)對(duì)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的研究比較晚。采取的最主要的辦法是引進(jìn)、消化、吸收，洋為中用是國(guó)內(nèi)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)制訂的最主要方法。1998年，信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)及ITU睺O.41標(biāo)準(zhǔn)，制訂了YD/T9831998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測(cè)量方法》，詳盡規(guī)定了通信電源設(shè)備包括通信開關(guān)電源的電磁兼容性的具體測(cè)試項(xiàng)目、要求及測(cè)試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗(yàn)、達(dá)標(biāo)并通過入網(wǎng)檢測(cè)明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
國(guó)標(biāo)也等同采用了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如GB/T17626.1～12系列標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)；GB92541998《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電干擾限值及測(cè)量方法》等同采用CISPR22；GB/T176181998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》等同采用CISPR24。
3開關(guān)電源的電磁兼容性問題
通信開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當(dāng)復(fù)雜的。從整機(jī)的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產(chǎn)生的三個(gè)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(hào)進(jìn)入受干擾對(duì)象。線間耦合主要是產(chǎn)生干擾電壓及干擾電流的導(dǎo)線或PCB線，因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場(chǎng)耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)受干擾體產(chǎn)生的耦合。磁場(chǎng)耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)干擾對(duì)象產(chǎn)生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對(duì)相應(yīng)的受干擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。
在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)并非理想，在高頻開或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)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(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻干擾的一個(gè)重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，而產(chǎn)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(chǎn)生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。
通信開關(guān)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(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關(guān)無(wú)損吸收電路多利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)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(guān)電源中，一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模干擾信號(hào)的濾波，以及交流方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號(hào)。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)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(hào)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(hào)頻率的上升，由于引線電感的作用，導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降，直至達(dá)到諧振頻率以上時(shí)，完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行浴２徽_地使用濾波電容及引線過長(zhǎng)，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)原因。
通信開關(guān)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(hào)，從高頻的數(shù)字信號(hào)至低頻的模擬信號(hào)，電源內(nèi)部的場(chǎng)分布相當(dāng)復(fù)雜。PCB布線不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)電路的設(shè)計(jì)不合理，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對(duì)靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾及輻射電磁場(chǎng)等的抗擾性能力。
電磁兼容性的研究，一般運(yùn)用CISPR16及IEC61000中規(guī)定的電磁場(chǎng)檢測(cè)儀器及各種干擾信號(hào)模擬器、輔助設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)地或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部，通過詳盡的測(cè)試分析、結(jié)合對(duì)電路性能的理解來進(jìn)行分析研究。
從電磁兼容性的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性，可從三個(gè)方面入手。
1）減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)；
2）切斷干擾信號(hào)的傳播途徑；
3）增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力。
在解決開關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性時(shí)，可以綜合運(yùn)用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的對(duì)外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)干擾、電磁場(chǎng)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(qiáng)輸入輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善有源功率因數(shù)校正（APFC）電路的性能，減小開關(guān)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(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降取Ａ硪环矫妫訌?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對(duì)外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊應(yīng)優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對(duì)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(duì)于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來解決。快速瞬變信號(hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)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(guān)電源的內(nèi)部干擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)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(diǎn)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(diǎn)接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響；布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_；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(guān)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(chǎn)生輻射的主要干擾源；小信號(hào)電路是抗外界干擾的最薄弱環(huán)節(jié)，適當(dāng)?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(hào)電路的抗干擾能力；與機(jī)殼距離較近的小信號(hào)電路，應(yīng)加適當(dāng)?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(dāng)接地，綜合考慮各種接地措施，有助于提高整機(jī)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(guān)電源內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。
在整流器的機(jī)架上，要考慮各整流器間的電磁耦合、整機(jī)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(guān)系、電磁兼容量級(jí)的正確分配等。
開關(guān)電源對(duì)內(nèi)、外的干擾及抗干擾中，共模信號(hào)與開關(guān)器件的工作方式、散熱器的安裝及整機(jī)PCB板與機(jī)殼的連接有相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，共模信號(hào)在一定的條件下又可轉(zhuǎn)變成差模信號(hào)。解決共模干擾最簡(jiǎn)單的方法是解決好各電路單元及整機(jī)端口、機(jī)殼間的問題。整機(jī)屏蔽難以實(shí)施且成本較高，在無(wú)可奈何的情況下才采用該措施。
5國(guó)內(nèi)通信開關(guān)電源的電磁兼容性改進(jìn)現(xiàn)狀
自YD/T983標(biāo)準(zhǔn)開始起草以來，國(guó)內(nèi)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(cè)試儀器、試驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)費(fèi)用很高，且需要有經(jīng)驗(yàn)的研發(fā)人員，很多制造商都沒有自己的試驗(yàn)室，對(duì)電磁兼容性的研究造成了一定的困難。YD/T983標(biāo)準(zhǔn)中，抗擾度指標(biāo)選用了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中較低等級(jí)。除雷擊浪涌、ESD及EFT指標(biāo)外，其它抗擾度指標(biāo)均比較容易達(dá)到要求。電磁干擾指標(biāo)如傳導(dǎo)干擾及輻射干擾指標(biāo)，由于很難滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，是目前電磁兼容性研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)只有極少數(shù)的廠家可以完全達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
中興通訊建立了自己的電磁兼容性試驗(yàn)室，在通信開關(guān)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(guān)電源的前級(jí)運(yùn)用最先進(jìn)的有源功率因數(shù)校正技術(shù)加無(wú)損吸收電路，后級(jí)DC/DC采用零電壓零電流（ZVZCS）相移諧振軟開關(guān)技術(shù)或雙管正激無(wú)損吸收軟開關(guān)技術(shù)，通過專業(yè)的電源輸入輸出濾波器設(shè)計(jì)及防雷設(shè)計(jì)，以及對(duì)整機(jī)的安全性、數(shù)字接口電路的抗靜電設(shè)計(jì)及抗快速瞬變脈沖群設(shè)計(jì)，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)恰到好處的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，不僅使整機(jī)內(nèi)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(guān)電源對(duì)外的電流諧波、電起伏和閃爍、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾達(dá)到或超過CISPR22標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級(jí)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(jī)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(chǎng)干擾，300A/m的工頻磁場(chǎng)干擾。寬廣的交流輸入電壓范圍，使整機(jī)的電壓跌落、電壓瞬變及電壓短時(shí)中斷等干擾過后，開關(guān)電源能夠正常工作。專業(yè)采自全國(guó)各地的電網(wǎng)干擾電壓，均在中興開關(guān)電源上經(jīng)過了驗(yàn)證分析。
中興通訊系列開關(guān)電源的電磁兼容性指標(biāo)，已完全滿足并超過了YD/T983－1998《通信開關(guān)電源設(shè)備電磁兼容性要求及測(cè)量方法》中所規(guī)定的所有項(xiàng)目的指標(biāo)，部分產(chǎn)品已通過CE認(rèn)證及FCC認(rèn)證中的全部電磁兼容性指標(biāo)，是真正的環(huán)保型通信開關(guān)電源，特別適合于移動(dòng)基站、程控交換設(shè)備、IP電話、有線電視等數(shù)據(jù)通信傳輸設(shè)備以及鐵路、水電、火電站等強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的場(chǎng)合使用。
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