通信开关电源的特性以及抑制电磁干扰的技术解析

0 引言

随着现代电子技术和功率器件的发展，开关电源以其体积小、重量轻、高性能、高可靠性等特点被广泛应用于通信系统、自动控制、家用电器等领域，特别是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核心动力。但是，通信开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其开关器件工作在高频通断状态，由于高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰源，它产生的电磁干扰（EMI）信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。另外，通信开关电源要有很强的抗电磁干扰的能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压、电场、磁场、电磁波、静电放电、脉冲串、电压跌落、射频电磁场传导抗扰性、辐射抗扰性、传导发射、辐射发射等项目需要满足有关EMC标准的规定。

国内在20世纪80～90年代，为了加强对当前国内电磁污染的治理，制定了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证（ChinaCompulsoryCertification）-K作以来，掀起了”电磁兼容热”，近距离的电磁干扰研究与控制愈来愈引起电子研究人员们的关注，当前已成为研究领域的一个新热点。本文将针对通信开关电源电干扰的产生机理系统地论述相关的抑制技术。

1 通信开关电源的特性及电磁干扰产生的机理

1.1 开关电源基本特性

开关电源的基本特性有四点：

①位置较为清楚。主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上；

②能量转换装置工作于开关状态。因开关电源是工作于开关状态的能量转换装置，故其电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；

③电源印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置。这种布置使其具有很大的随意性，增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预测评估的难度；

④开关频率大，可从几万Hz到数兆Hz，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

1.2 电磁干扰产生机理

1.2.1 开关电路产生的电磁干扰

开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成，它产生的dv/dt是具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因有两个方面：一方面开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬问，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输人输出端，形成传导干扰。另一个方面脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

1.2.2 二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化（di/dt）。

2 电磁干扰抑制措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰应从这三方面人手。

抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力，从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。

2.1 采用滤波器抑制电磁干扰

滤波是抑制电磁干扰的重要方法，它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备，还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器，不但可以解决传导干扰问题，同时也是解决辐射干扰的重要武器。滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波两种方式。

2.1.1 无源滤波技术

无源滤波电路简单，成本低廉，工作性能可靠，是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是解决传导发射。开关电

源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。

由于原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会产生脉冲尖峰电流，这个电流由非常多的高次谐波电流组成，对电网产生干扰；另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高，对周围电路会产生出不同频率的感应电流，其中包括差模和共模干扰信号，这些干扰信号可以通过两根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号，又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律，得E—Ldi/dt，E为L两端的电压降，L为电感量，di/dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小，则要求电感量就越大。

脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号；开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场，电路会产生位移电流，而这个位移电流也属于共模干扰信号。图中共模滤波器就是用来抑制共模干扰，使之受到衰减。

2.1.2 有源滤波技术

有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。这是一种从噪声源出发而采取的措施（如图2）。其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号，以达到降低干扰水平的目的。如图，利用晶体管的电流放大作用，通过把发射极的电流折合到基极，在基极回路来滤波.R1、C2组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极的纹波也很小。由于c2的容量小于C3，减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。

要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使其电磁波产生衰减。

此外，为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散，为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响，应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入、输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露，且不易散热，结构成本大幅度增加等因素。

为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽效果，同时保障人身和设备的安全，应将系统与大地相连，即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题，又可提高电子产品的抗干扰能力。

2.3 PCB设计技术

为更好地抑制开关电源的电磁干扰，其印制电路板（PCB）的抗干扰技术尤为重要。为减少PCB的电磁辐射和PCB上电路问的串扰，要非常注意PCB布局、布线和接地。如减少辐射干扰是减小通路面积，减小干扰源和敏感电路的环路面积，采用静电屏蔽。而抑制电场与磁场的耦合，应尽量增大线间距离。

在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3种基本类型。地线设计应注意以下几点：

（1）交流电源地与直流电源地分开。

（2）功率地与弱电地分开。

（3）模拟电路与数字电路的电源地分开。

（4）尽量加粗地线。

2.4 扩频调制技术

对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于次谐波的带宽是基频带宽的倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。要在开关电源中采用扩频时钟信号，需要对该电源开关脉冲控制电路输出的脉冲信号进行调制，形成扩频时钟（如图3）。与传统的方法相比，采用扩频技术优化开关电源EMI既高效又可靠，无需增加体积庞大的滤波器件和繁琐的屏蔽处理，也不会对电源的效率带来任何负面影响。

电感和电容等元件组成滤波器，将输入电流波形进行移相和整形过程来实现提高功率因数的。而有源功率因数校正电路是依据控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形的原理来实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。两种方法均使功率因数提高，后者效果更加明显，但电路复杂。

3 结论

随着通信开关电源不断向高频化发展，其抗干扰问题显得越发重要。在开发和设计开关电源过程中，如何有效抑制开关电源的电磁干扰，同时提高开关电源本身对电磁干扰的抗干扰能力是一个重要课题。除本文中分析的几种主要方法外，还可以采用光电隔离器、LSA系列浪涌吸收器、软开关技术等。几种抗干扰措施既相互独立又相互联系，在实际设计时，应全面考虑开关电源的各种电磁干扰，选用多种抑制电磁干扰的方法加以综合利用，才能达到良好的抗干扰效果。
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