通信開關電源的電磁兼容性

摘要：簡要介紹了通信開關電源的電磁兼容性要求、國內外標準、電磁兼容性的成因、研究解決方法及國內通信開關電源的電磁兼容性現狀。
關鍵詞：通信開關電源；電磁兼容性；標準

1引言
通信開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠程監控等優點，而廣泛應用于程控交換、光數據傳輸、無線基站、有線電視系統及IP網絡中，是信息技術設備正常工作的動力核心。
隨著信息技術的發展，信息技術設備遍布大江南北，從發達的中心城市至偏遠山區，為人與人之間的溝通交流及信息傳輸提供了極大的便利。由于城鄉間的差異，通信設備的供電網既有穩定的大電網供電方式，也有獨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電設備工作的不穩定，造成電網波形失真嚴重及電壓波動大，同時因配電系統的接線不規范，對通信用開關電源形成了嚴峻的考驗。
鐵路通信及電力通信正在發展壯大。由于電力機車經過之處，產生很強的感應電壓，使地線電壓產生很大的波動，從而引起電網電壓的很大波動，強大的電場容易引起開關電源設備工作的瞬時不穩定。在高壓電網附近運行的通信開關電源，雖然電網電壓穩定，但容易受電網負載變化等引起的強電磁場的干擾影響。
用于基站的通信開關電源，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，通信開關電源要有很強的抗電磁干擾能力，特別是對雷擊、浪涌、電網電壓波動的適應能力，而對靜電干擾、電場、磁場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通信設備供電的穩定性。
另一方面，因通信開關電源內部的功率開關管、整流或續流二極管及主功率變壓器，是在高壓、大電流及高頻開關的方式下工作，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，將產生嚴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電源的輸出線傳出，對與通信電源在同一電網上供電的其它設備及電網產生干擾，同時對由通信電源供電的設備如程控交換設備、無線基站、光傳輸設備及有線電視設備等產生干擾，使設備不能正常工作；另一方面嚴重的諧波電壓電流在開關電源內部產生電磁干擾，從而造成開關電源內部工作的不穩定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關電源機殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾，引起其它設備工作異常。
因此，對通信開關電源，要限制由負載線、電源線產生的傳導干擾及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環境中的電信設備均能夠正常工作，互不干擾。
2國內外電磁兼容性標準
電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。
要徹底消除設備的電磁干擾及對外部一切電磁干擾信號不敏感是不可能的。只能通過系統地制訂設備與設備之間的相互允許產生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標準，才能使電氣設備及系統間達到電磁兼容性的要求。國內外大量的電磁兼容性標準，為系統內的設備相互達到電磁兼容性制訂了約束條件。
國際無線電干擾特別委員會（CISPR）是國際電工委員會（IEC）下屬的一個電磁兼容標準化組織，早在1934年就開展EMC標準的研究，下設六個分會。其中第六分會（SCC）主要負責制訂關于干擾測量接收機及測量方法的標準。CISPR16《無線電干擾和抗擾度測量設備規范》對電磁兼容性測量接收機、輔助設備的性能以及校準方法給出了詳細的要求。CISPR17《無線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測量》制訂了濾波器的測量方法。CISPR22《信息技術設備的無線電干擾限值和測量方法》規定了信息技術設備在0.15～1000MHz頻率范圍內產生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》規定了信息技術設備對外部干擾信號的時域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構成了信息技術設備包括通信開關電源設備的電磁兼容性測試內容及測試方法要求，是目前通信開關電源電磁兼容性設計的最基本要求。
IEC最近也出版了大量的基礎性電磁兼容性標準，其中最有代表性的是IEC61000系列標準。它規定電子電氣設備的雷擊、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、電壓瞬變及短時中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場、由射頻電磁場引起的傳導干擾抗擾度、傳導干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。
另外，美國聯邦委員會制訂的FCC15、德國電氣工程師協會制訂的VDE08712A1、VDE08712A2、VDE0878，都對通信設備的電磁兼容性提出了要求。
我國對電磁兼容性標準的研究比較晚。采取的最主要的辦法是引進、消化、吸收，洋為中用是國內電磁兼容性標準制訂的最主要方法。1998年，信息產業部根據CISPR22、IEC61000系列標準及ITUTO.41標準，制訂了YD/T9831998《通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法》，詳盡規定了通信電源設備包括通信開關電源的電磁兼容性的具體測試項目、要求及測試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗、達標并通過入網檢測明確了設計目標。
國標也等同采用了相應的國際標準。如GB/T17626.1～12系列標準等同采用了IEC61000系列標準；GB92541998《信息技術設備的無線電干擾限值及測量方法》等同采用CISPR22；GB/T176181998《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》等同采用CISPR24。
3開關電源的電磁兼容性問題
通信開關電源因工作在高電壓大電流的開關狀態下，其引起的電磁兼容性問題是相當復雜的。從整機的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產生的三個要素為：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進入受干擾對象。線間耦合主要是產生干擾電壓及干擾電流的導線或PCB線，因并行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產生的感應電場對受干擾體產生的耦合。磁場耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產生的低頻磁場對干擾對象產生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對相應的受干擾體產生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區分的，只是側重點不同而已。
在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關器件的工作狀態并非理想，在高頻開或關時，常常產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續流的開關二極管，也是產生高頻干擾的一個重要原因。因整流及續流二極管工作在高頻開關狀態，由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，而產生高頻振蕩。因整流及續流二極管一般離電源輸出線較近，其產生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。
通信開關電源為了提高功率因數，均采用了有源功率因數校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應力，大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大地降低了開關器件所產生的電磁干擾。但是，軟開關無損吸收電路多利用L、C進行能量轉移，利用二極管的單向導電性能實現能量的單向轉換，因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。
通信開關電源中，一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實現對差模及共模干擾信號的濾波，以及交流方波信號轉換為平滑的直流信號。由于電感線圈的分布電容，導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，隨著干擾信號頻率的上升，由于引線電感的作用，導致電容量及濾波效果不斷下降，直至達到諧振頻率以上時，完全失去電容器的作用而變為感性。不正確地使用濾波電容及引線過長，也是產生電磁干擾的一個原因。
通信開關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，從高頻的數字信號至低頻的模擬信號，電源內部的場分布相當復雜。PCB布線不合理、結構設計不合理、電源線輸入濾波不合理、輸入輸出電源線布線不合理、CPU及檢測電路的設計不合理，均會導致系統工作的不穩定或降低對靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。
4電磁兼容性研究及解決方法