通信开关电源的电磁干扰分析及其有效抑制

闫晓兵，陈春梅，白雪艳，刘 鹏

（1.泰山科技学院 通信工程学院，山东 泰安 271000；2.泰山科技学院 智能工程学院，山东 泰安 271000）

0 引 言

随着信息技术的不断发展，智能化时代正悄然来临。无论是物联网、云计算还是智能机器人，都是以通信系统来进行信号和信息传输的。在通信系统各组成部分中，电源系统属于基础设备，承担着为系统工作提供持续能量的作用。电源系统的可靠性对于整个通信系统的信号发射与传输质量有着决定性影响，只有电源系统可靠且稳定工作才能保证通信系统正常运行，避免由于通信故障而给正常的生产生活带来影响甚至造成极大的经济损失。基于此，通信系统的供电电源正面临着智能化时代带来的严峻考验[1]。

1 电磁干扰产生的原因

1.1 开关电路产生的电磁干扰

开关电路是通信开关电源的核心部分，主要由高频开关管和高频变压器组成。由于主功率开关管在高电压大电流的高频开关方式下工作，因此输入电流波形在阻性负载时近似为矩形方波。开关管导通瞬间会产生很大的涌流并出现较高的浪涌尖峰电压，开关管关断瞬间则会使一部分能量通过初级线圈的漏磁通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与电阻形成带有尖峰的衰减振荡并叠加在关断电压上，从而形成干扰[2]。开关电路在工作状态变化时会产生信号频率的突变。突变的信号频率会进一步缩短高频开关管和变压器的信号处理时间，从而导致输出波无法及时响应输入信号的激励而产生畸变，形成关断电压尖峰[3]。

1.2 开关二极管产生的干扰

通信开关电源中高频干扰产生的另一个重要来源就是用于整流及续流的开关二极管。开关二极管在电流频率变化过程中，其内部模拟器件的信号变化跟不上频率变化的速度也会产生干扰。开关二极管干扰产生的原因主要是内部载流子的变化，二极管由于电流电压变化产生的干扰信号无法通过信号变换和平滑处理进行消除，会随着信号的一直传递到电网中，从而产生谐波污染[4]。

1.3 交流输入回路产生的干扰

电源线噪声是电网中各种通信用电设备产生的电磁干扰沿着电源线传播而形成的。电源线噪声可以分为共模干扰和差模干扰两大类。共模干扰电流不通过地线而是通过输入电源线进行传输，而差模干扰电流则主要是通过地线和输入电源线回路进行传输。通信设备供电网中含有的共模和差模噪声可以对负载产生返回噪声、输出噪声以及辐射干扰等。

2 抑制电磁干扰的有效措施

引起通信开关电源电磁干扰的因素较为复杂，对通信开关电源的电磁干扰进行有效抑制可以主要从减小干扰源的干扰强度和切断干扰传播途径两个方面进行。

2.1 减少输入侧干扰

为减小通信开关电源的输入干扰，可以在输入电路中增加安规Y电容和共模扼流圈，具体电路如图1所示。

图1 通信开关电源输入电路

由图1可知，在输入侧除设计有常规的滤波电容外，还增加了安规Y电容CY1～CY3，滤除L对地和N对地的共模干扰信号。安规Y电容可以使储能输出均匀化，降低负载需求，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰[5]。

在输入侧还设计有共模扼流圈T1和T2，主要用于隔离电器内部与外线间的高频串扰。当共模电流通过共模扼流圈时，EMI滤波发挥作用，此时可以有效消除信号导线之间的电磁辐射干扰，同时改变不同电感的叠加方式，起到噪声屏蔽的作用。

2.2 减小功率管通/断产生的干扰

通信开关电源的主要干扰来自功率开关管开通或关断时的dv/dt，因此要设法减小功率开关管的电压变化率。研究表明，具有电压箝位的零电压定频开关变换器能更明显地减少开关电源的干扰。在上述电路结构下，还应增加关断缓冲电路，RCD缓冲电路如图2所示。

图2 RCD缓冲电路

当功率开关管分断时，蓄积在寄生电感中的能量对开关管的寄生电容充电，开关管漏极电压不断上升。当电压上升到一定电压值时，吸收二极管TVS导通，开关管电压被吸收二极管嵌位。当功率开关管导通时，吸收电容可通过电阻R进行放电[6]。由此可见，RCD缓冲电路是通过吸收二极管对开关管电压进行嵌位，可以采用较大阻值的电阻，能量损耗较小。

2.3 减少输出侧产生的电磁干扰

为减少通信开关电源输出侧产生的电磁干扰，可以在高频变压器的输出侧增加电容与电阻串联组成的吸收回路。吸收回路通常与整流二极管并联，如图3所示。

图3 输出吸收回路

输出吸收回路能够吸收因高步开关变压器初级绕组产生的自感电势，避免在开关管截止瞬间出现过高的反峰高电压，可以有效抑制反向峰值电压（浪涌电压）对整流二极管的影响，从而避免因保护二极管耐压不足所引起的损坏[7]。

2.4 减少PCB板自身的干扰

在元件布局时要充分考虑功率元件的摆放位置，不同类型的负载之间做好隔离，相同类型的负载在进行设计时可以适当缩短相互之间的距离，在共用电源的同时减少相互之间的辐射干扰。为了降低电路辐射干扰的大小，在进行布线时，需要尽量增大不同类型导线之间的距离，使电路有效通路相对截面积变小，从而减少电磁耦合干扰。在进行电路板设计时，可以串联负载阻抗，中和电感电流引起的感性干扰，从而降低干扰源强度。

2.5 减少电源噪声的产生

当电源电压出现波动时也会产生干扰，电源电压波动引起的干扰为：

随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，所允许的最大电源阻抗也大大降低[8]。为了降低电源的电阻和电感，可以使用电阻率低的材料和较粗的电源线。除此之外，还要合理地使用去耦电容。

3 结 论

通信网络系统的安全运行与通信电源系统的电磁兼容性能密切相关。随着通信网络系统应用数量的不断增加，通信电源系统的电磁兼容性问题变得越来越突出。实践证明，通信电源产品只有满足标准规定的抗扰度极限值的要求，在受到一定的电磁干扰时才不会出现性能下降或发生故障。此外，通信电源产品只有满足标准规定的电磁极限值要求，对电磁环境才不会造成污染。