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通信開關電源的EMC全面剖析

作者:admin     時間:2017/3/29 11:34:27

現代通信,電子、電氣設備的正常工作都離不開電源。通信電源在通信設備中具有不可比擬的重要地位。隨著通信事業的飛速發展,手機、電話、電腦等 通信工具走人人們的生活,已經變得越來越普遍。通信設備的不斷更新,對于通信開關電源的要求也越來越高。通信開關電源具有體積小、重量輕、效率高、工作可 靠等優點,廣泛應用于光數據傳輸、程控交換、無線基站、有線電視系統及IP網絡中,是電子電氣設備正常工作的“心臟”。



1、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。國內外已有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。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構成了信息技術設備包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。



2、通信開關電源的干擾


    通信開關電源要穩定工作就要有很強的抗電磁干擾能力,對于電場,磁場及電磁波等要有足夠的抗干擾能力,保證自身能夠正常工作以及通信設備供電的 穩定且不間斷,同時也要不受通信系統本身因通信時電磁波帶來的干擾。一般來講,開關電源受到的干擾源有電壓電流快速變化造成的干擾,傳導干擾和輻射干擾。



    開關電源的干擾來源有:開關電源的大功率開關管工作在高壓大電流的切換狀態,由導通切換為關斷狀態時形成浪涌電壓,或由關斷切換為導通狀態時形 成的浪涌電流,它們的高次諧波成分會通過空間向外發射或通過電源線的傳導構成干擾源。由關斷切換為導通狀態時,開關變壓器副方的整流二極管受反方向恢復特 性的限制,產生尖峰狀的反向電流,它與二極管結電容以及引線電感等形成阻尼正弦振蕩,也含有大量的諧波成分,構成干擾。



通信開關電源電磁干擾特點:


    (1)整流或續流二極管及主功率變壓器在高壓、大電流及高頻開關的方式下工作,其電流電壓快速變化會造成干擾,從而造成開關電源內部工作的不穩定,使電源的性能降低。


    (2)收發天線的極化,方向特性EMC輻射。通信開關電源受到:9 kHz~30 MHz的射頻磁場干擾;30~1 000 MHz的射頻電場干擾。


    (3)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,對其他高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾,引起其他設備工作異常。


    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圾空間傳播時產生的輻射電磁場干擾量,使它們能與處于同一環境中的其他電信設備均能夠正常工作,互不產生干擾。


3、開關電源的電磁兼容性問題分析


    通信開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態下,其引起電磁兼容性問題的原因是相當復雜的。有通信系統的高頻信號對開關電源的電磁干擾;同 時,開關電源由于本身的電路設計,PCB布線,元器件的性能等也會對通信,或其他電子、電氣設備產生干擾。其中,按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干 擾兩種;按照干擾信號對于電路作用的形態不同,可將電源系統內的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常,線路電源線上的任何傳導干擾信號,都可表示成共模 和差模干擾兩種方式。



    在開關電源中,主功率開關管在高電壓、大電流或以高頻開關方式工作下,開關電壓及開關電流的波形在阻性負載時近似為方波,波信號含有豐富的高次 諧波,該高次諧波的頻譜可達方波頻率的1 000次以上。由于電壓差可以產生電場、電流的流動可以產生磁場,以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設備內部產生電磁場,從而造成設備內部工作的不穩 定,使設備的性能降低。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不是理想的,在高頻開或關時,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問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。      通信開關電源采用了有源功率因數校正,雖然控制復雜,但效果與負載無關,提高了功率因數,使性能更佳。同時,開關電源采用軟開關技術來降低電路 開關功耗,減少噪聲,提高電路的效率及可靠性。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。


4、 電磁兼容性解決方法


    (1)解決開關電源內部的電磁兼容性


    減小通信開關電源本身設計時的內部干擾:抑制高頻開關變壓器的噪聲,吸收緩沖,降低漏感;在電路設計時PCB的合理布線,盡量不走環線;干擾比 較重的放在一起,低頻,低壓干擾小的遠離;盡可能減小回路包容的面積;正負導線盡可能接近;增強輸入/輸出濾波電路的設計,改善APFC電路的性能,消除 或者減小二極管的電流快速變化。其中常用的電路是零電壓開關ZVS、零電流開關ZCS和準諧振ZVS/ZCS電路。該技術極大地降低了開關器件所產生的電 磁干擾。利用組合軟開關技術結合的無損耗吸收技術與諧振式零電壓技術、零電流技術的優點,解決在電路中因并聯或串聯諧振網絡,產生的諧振損耗。對功率開關 管波形整形;模擬與數字,高壓與低壓等的隔離。



    (2)消除電磁干擾,提高開關電源的工作性能


    消除通信開關電源的傳導干擾和輻射干擾傳導干擾主要是由于信號經電網傳播,會對其他電子設備產生嚴重干擾,往往引起更嚴重的問題。常用的抑制方 法有:緩沖器法,減少耦合路徑法,減少寄生元件法等。而傳導干擾的極限值,可參考國標中的電磁兼容規范GB9254-1988, (386833.9-87,GB6833.4-1987,GB6833-1987。

在輻射研究中天線是電磁輻射源,在開關電源電路中,主電路中的元器件、連線等都可認為是天線,同時手機電話等的MCU與LCD的數據線、地址線 工作頻率高,也是產生輻射干擾的主要干擾源。可以通過增加提高抗干擾能力的器件提高易受外界干擾的小信號電路的抗干擾能力;并綜合考慮各種接地措施,提高 整體的電磁兼容性。



     開關電源在輸入電路中容易受到共模/差模干擾,此時,可以利用EMI濾波電路抑制此干擾。EMI濾波電路如圖1(a)所示。其中,L1,L2為 共模抑制電感,與C1~C7組成線路低通濾波器:C1,C4,C5用于抑制差模噪聲,這里選用0.33μF的聚丙烯薄膜電容器;C2,C3和C6,C7用 于抑制共模噪聲,因為它們安裝在機殼和端子間,會有漏電電流流向機殼,為防止觸電,這里選用漏電流小,不易擊穿和損壞的云母電容器,容量為3.300 pF和0.1μF;C1~C7耐壓值均選為交流250 V。



     開關電源對內、外的干擾及抗干擾中,共模信號與開關器件的工作方式、散熱器的安裝及整機PCB板與機殼的連接有相當復雜的關系,共模信號在一定 的條件下又可轉變成差模信號。其中解決共模干擾除了上述一般的EMI濾波電路,還可按如下電路圖的思想在電路上改進,使開關電源能夠在電路上改進從而提高 性能。圖1(b)為共模/差模干擾濾波器典型電路,圖1(c)為在圖1(b)基礎上變異的共模/差模干擾濾波電路。



    (3)隔離電源與其他設備間的相互干擾,增強通信開關電源的抗干擾能力。


    在通信端口及控制端口的小信號電路中,選用具有抗靜電干擾的器件。而單位脈沖干擾的頻譜最寬,容易以共模的方式傳入控制電路內,可采用吸收式濾 波器消除,減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波來提高系統的抗擾性能。隔離,屏蔽其他干擾信號的干擾,以及自身對于其他設備的干擾。


    切斷干擾信號的傳播途徑:電磁屏蔽,用金屬外殼加強屏蔽效果,并進行良好的接地處理(注意大地與系統地不可接在一起),各控制單元間的大面積接地用接地板屏蔽,同時也可以改善開關電源內部工作的穩定性。

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