基于并行扩频技术降低电力通信电源的电磁干扰研究

刘影，谢驰

（1.电子科技大学能源科学与工程学院，四川成都 611731；2.四川大学锦城学院，四川成都 611731）

智能电网是建立在集成的高速双向通信网络的基础上，通过传感和测量技术，控制电网，实现可靠、安全、经济、高效运行[1-2]。因此，在电力通信信息平台设备中，通信电源的稳定性就尤为重要。高频开关式脉冲宽度调制DC/DC电源转换器因其效率高、体积小，现已成为智能电网通信设备的首选电源。可是，这类通信开关电源有一个不足之处：其开关器件工作在高频通断状态时，它会在开关频率和谐振频率下产生电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。电磁干扰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力通信环境，严重影响通信设备的正常工作。特别是对高铁牵引变电站中的程控交换设备，电磁干扰在数据通信传输中会产生传导性干扰，会造成传输信号畸变而引起行车安全事故[3-7]。

针对电力通信系统电源设备的电磁干扰问题，本文首先分析通信开关电源产生电磁噪声干扰的机理，通过与映射序列扩频方式的结合，构建了一种新的并行扩频调制方法，建立了并行扩频解调后信号的数学模型，对断续电流模式的Boost PFC变流器进行电磁干扰抑制，以减少传导电磁干扰。通过仿真实验分析，表明：随着扩频倍数的增大，电力通信系统在电源开关调频中的谐波干扰频幅得到降低，其抗电磁干扰能力得到提高。

1 高频开关电源的电磁干扰分析

电力通信系统电源设备中的高频开关电源结构如图1所示，在结构图中，交流电经整流桥进入DC/DC变换器进行直流斩波，DC/DC变换是高频开关电源的核心部分，产生电磁干扰（EMI）的主要原因有3种情况。

图1 高频开关电源的基本组成Fig.1 The com position of high-frequency sw itching power supply

1.1 功率开关管工作时产生电磁干扰

通常高频开关电源的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，含有丰富的高次谐波分量。这些谐波分量和开关电源基频分量一起通过电源本身的电路或者电缆时，会发射出较强的电磁脉冲干扰。另外，功率开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在导通瞬间，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。功率开关管在截止期间，由于高频变压器绕组漏感引起的电流突变，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，这个电磁噪声会传导到电力通信系统的输入输出端，形成电磁传导干扰。

1.2 二极管的反向恢复引起电磁干扰

在高频开关电源中，常使用工频整流二极管、高频整流二极管和续流二极管等。由于这些二极管都工作在开关状态，如图2和图3所示；在二极管由阻断状态到导通工作过程中，将产生一个很高的电压尖峰VFP；在二极管由导通状态到阻断工作过程中，存在一个反向恢复时间trr；在反向恢复过程中，由于存在二极管封装电感及引线电感，将产生一个反向电压尖峰VRP。由于电子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流IRP，这种快速的电流和电压突变是对电力通信系统产生电磁干扰的根源。

1.3 电感、变压器等磁性元件引起电磁干扰

在高频开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器和输出滤波电感等磁性元件。隔离变压器原副边之间存在寄生电容，高频干扰信号会通过寄生电容耦合到副边；功率变压器由于绕制工艺等原因，原副边耦合不理想而存在漏感，漏电感将会对电力通信系统产生电磁辐射干扰。

图2 二极管正向导通过程电流电压波形Fig.2 Current and voltage waveform s of diode forward conduction

图3 二极管反向恢复过程电流电压波形Fig.3 Current and voltage waveforms of diode reverse recovery

2 并行扩频技术原理

由于电力通信开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器在高压、大电流及高频开关的方式下工作，其电压电流波形多为方波[8-9]。在高压大电流的方波切换过程中，方波电压电流将产生丰富的谐波电压及谐波电流。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[10-12]。

由于次谐波的带宽是基频带宽的倍数，可以通过并行扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。并行扩频技术是一种具有较高的传输效率和频带利用率的软扩频通信方式[13]。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。根据扩频技术的基本公式:

式中，C为信道容量，bit/s；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。对任意给定的信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差的信息率。因此，只要对电磁传导干扰扩展其频谱，再把扩频信号变换到原始信息带宽，信噪比就可以提高。

并行扩频系统是从M个扩频信号中选取r个与其各自的相位极性状态相同分量，这样系统的信号量k表示为

图4 并行扩频系统的原理图Fig.4 Principle chart of parallel spread-spectrum system

设k比特信息数据为d1，d2，…，dk，信号送入扩频序列器，从M个正交扩频序列中选出r个扩频序列和其相位极性，并等副相加，经过载波调制后，信号可表示为

式中，P相当于一个序列的功率。

在并行扩频器中使用M个解调器，将去载波之后的信号分别用本地扩频序列PN（it）（i=1，2，…，k）做解扩处理。在载波频率和扩频序列已精确同步的情况下，第i条支路扩频解调器输出可以表示为

式中，τ为传播延时。由于并行扩频序列的正交特性，所以解调器输出为

3 仿真实验

用一个频率较低的正弦信号（三角波或其他方式）对被测信号进行调制而使被测信号的输出频率存在微小的变化，把能量集中的频谱变成分散在以被测频率为中心的一个较宽的频带上。虽然辐射出的总能量不变，但频谱幅度降低了，从而减少电力通信开关电源产生的电磁干扰。

将单频功率分到整个扩展谐波频段：

式中，F0是扩频之前的频率；a是相对于非扩展频率的扩频幅度；Vu是扩展频带内每个频谱的电压；Fd是扩展频率。

电力通信开关电源中高频变流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是产生电磁干扰的主要原因。为了排除续流二极管反向恢复电流引起的电磁干扰噪声的影响，实验通过并行扩频方法对断续电流模式的Boost PFC变流器（在变流器的交流输入端接入了线性阻抗稳定网络LISN）进行电磁干扰分析，如图5所示。

图5 并行扩频系统的电路原理图Fig.5 Circuit principle chart of parallel spread-spectrum system

对不同倍数的并行扩频抗干扰的能力仿真，其仿真得到的干扰频谱曲线如图6所示。

从图6可以看出，随着扩频倍数的增加，通信开关电源的干扰频谱曲线的变化趋势也有相应的调整。随着扩频倍数的增大，其谐波干扰的频谱幅度降低了很多，电磁干扰对电力通信系统的影响随着扩频倍数的增加而减小。当然如果扩频倍数增加过多，虽然谐波干扰的频谱幅度得到降低，但是其自身运算带来的误差和干扰也会对电力通信系统运行带来影响。

图6 干扰频谱曲线图Fig.6 Interference spectrum curve chart

4 结论

并行扩频技术是一种抑制DC/DC电路电磁干扰的有效方法，并能够有效降低因多路信号叠加而导致峰值平均功率比升高引起的一系列信号干扰。采用并行扩频技术能够有效地降低电力通信电源的电磁干扰，无需在电路上加入体积庞大的滤波器和繁琐的屏蔽处理，也不会影响高频开关电源的转换效率。因此，并行扩频技术应用于降低电力通信电源的电磁干扰是一种高效低成本方法，特别适用于为智能电网建成的电力通信系统中的设备电源降噪。

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