通信開關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

隨著信息技術的不斷發展，智能化時代正悄然來臨。無論是物聯網、云計算還是智能機器人，都是以通信系統來進行信號和信息傳輸的。在通信系統各組成部分中，電源系統屬于基礎設備，承擔著為系統工作提供持續能量的作用。電源系統的可靠性對于整個通信系統的信號發射與傳輸質量有著決定性影響，只有電源系統可靠且穩定工作才能保證通信系統正常運行，避免由于通信故障而給正常的生產生活帶來影響甚至造成極大的經濟損失。基于此，通信系統的供電電源正面臨著智能化時代帶來的嚴峻考驗[1]。

1 電磁干擾產生的原因

1.1 開關電路產生的電磁干擾

開關電路是通信開關電源的核心部分，主要由高頻開關管和高頻變壓器組成。由于主功率開關管在高電壓大電流的高頻開關方式下工作，因此輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形方波。開關管導通瞬間會產生很大的涌流并出現較高的浪涌尖峰電壓，開關管關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到二次線圈，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斷電壓上，從而形成干擾[2]。開關電路在工作狀態變化時會產生信號頻率的突變。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輸入信號的激勵而產生畸變，形成關斷電壓尖峰[3]。

1.2 開關二極管產生的干擾

通信開關電源中高頻干擾產生的另一個重要來源就是用于整流及續流的開關二極管。開關二極管在電流頻率變化過程中，其內部模擬器件的信號變化跟不上頻率變化的速度也會產生干擾。開關二極管干擾產生的原因主要是內部載流子的變化，二極管由于電流電壓變化產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中，從而產生諧波污染[4]。

1.3 交流輸入回路產生的干擾

電源線噪聲是電網中各種通信用電設備產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。通信設備供電網中含有的共模和差模噪聲可以對負載產生返回噪聲、輸出噪聲以及輻射干擾等。

2 抑制電磁干擾的有效措施

引起通信開關電源電磁干擾的因素較為復雜，對通信開關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 減少輸入側干擾

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

圖1 通信開關電源輸入電路

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

在輸入側還設計有共模扼流圈T1和T2，主要用于隔離電器內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/斷產生的干擾

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

圖2 RCD緩沖電路

當功率開關管分斷時，蓄積在寄生電感中的能量對開關管的寄生電容充電，開關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，開關管電壓被吸收二極管嵌位。當功率開關管導通時，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 減少輸出側產生的電磁干擾

為減少通信開關電源輸出側產生的電磁干擾，可以在高頻變壓器的輸出側增加電容與電阻串聯組成的吸收回路。吸收回路通常與整流二極管并聯，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變壓器初級繞組產生的自感電勢，避免在開關管截止瞬間出現過高的反峰高電壓，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。在進行電路板設計時，可以串聯負載阻抗，中和電感電流引起的感性干擾，從而降低干擾源強度。

2.5 減少電源噪聲的產生

當電源電壓出現波動時也會產生干擾，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 論

通信網絡系統的安全運行與通信電源系統的電磁兼容性能密切相關。隨著通信網絡系統應用數量的不斷增加，通信電源系統的電磁兼容性問題變得越來越突出。實踐證明，通信電源產品只有滿足標準規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性能下降或發生故障。此外，通信電源產品只有滿足標準規定的電磁極限值要求，對電磁環境才不會造成污染。