通信開關(guān)電源的電磁兼容性

摘要：簡要介紹了通信開關(guān)電源的電磁兼容性要求、國內(nèi)外標準、電磁兼容性的成因、研究解決方法及國內(nèi)通信開關(guān)電源的電磁兼容性現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：通信開關(guān)電源；電磁兼容性；標準

1引言
通信開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠、可遠程監(jiān)控等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于程控交換、光數(shù)據(jù)傳輸、無線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中，是信息技術(shù)設(shè)備正常工作的動力核心。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)設(shè)備遍布大江南北，從發(fā)達的中心城市至偏遠山區(qū)，為人與人之間的溝通交流及信息傳輸提供了極大的便利。由于城鄉(xiāng)間的差異，通信設(shè)備的供電網(wǎng)既有穩(wěn)定的大電網(wǎng)供電方式，也有獨立的小水電供電方式。在小水電站供電方式下，因水量的變化、用戶用電量的變化較大及發(fā)電設(shè)備工作的不穩(wěn)定，造成電網(wǎng)波形失真嚴重及電壓波動大，同時因配電系統(tǒng)的接線不規(guī)范，對通信用開關(guān)電源形成了嚴峻的考驗。
鐵路通信及電力通信正在發(fā)展壯大。由于電力機車經(jīng)過之處，產(chǎn)生很強的感應(yīng)電壓，使地線電壓產(chǎn)生很大的波動，從而引起電網(wǎng)電壓的很大波動，強大的電場容易引起開關(guān)電源設(shè)備工作的瞬時不穩(wěn)定。在高壓電網(wǎng)附近運行的通信開關(guān)電源，雖然電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，但容易受電網(wǎng)負載變化等引起的強電磁場的干擾影響。
用于基站的通信開關(guān)電源，由于多安裝在較高的建筑物上或山頂，更易受到雷電的襲擊。
因此，通信開關(guān)電源要有很強的抗電磁干擾能力，特別是對雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓波動的適應(yīng)能力，而對靜電干擾、電場、磁場及電磁波等也要有足夠的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對通信設(shè)備供電的穩(wěn)定性。
另一方面，因通信開關(guān)電源內(nèi)部的功率開關(guān)管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器，是在高壓、大電流及高頻開關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。在高壓大電流的方波切換過程中，將產(chǎn)生嚴重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流一方面通過電源輸入線或開關(guān)電源的輸出線傳出，對與通信電源在同一電網(wǎng)上供電的其它設(shè)備及電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，同時對由通信電源供電的設(shè)備如程控交換設(shè)備、無線基站、光傳輸設(shè)備及有線電視設(shè)備等產(chǎn)生干擾，使設(shè)備不能正常工作；另一方面嚴重的諧波電壓電流在開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關(guān)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(chǎn)生的輻射電磁場，一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設(shè)備及對電磁場比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其它設(shè)備工作異常。
因此，對通信開關(guān)電源，要限制由負載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的電信設(shè)備均能夠正常工作，互不干擾。
2國內(nèi)外電磁兼容性標準
電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。
要徹底消除設(shè)備的電磁干擾及對外部一切電磁干擾信號不敏感是不可能的。只能通過系統(tǒng)地制訂設(shè)備與設(shè)備之間的相互允許產(chǎn)生的電磁干擾大小及抵抗電磁干擾的能力的標準，才能使電氣設(shè)備及系統(tǒng)間達到電磁兼容性的要求。國內(nèi)外大量的電磁兼容性標準，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達到電磁兼容性制訂了約束條件。
國際無線電干擾特別委員會（CISPR）是國際電工委員會（IEC）下屬的一個電磁兼容標準化組織，早在1934年就開展EMC標準的研究，下設(shè)六個分會。其中第六分會（SCC）主要負責制訂關(guān)于干擾測量接收機及測量方法的標準。CISPR16《無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備規(guī)范》對電磁兼容性測量接收機、輔助設(shè)備的性能以及校準方法給出了詳細的要求。CISPR17《無線電干擾濾波器及抑制元件的抑制特性測量》制訂了濾波器的測量方法。CISPR22《信息技術(shù)設(shè)備的無線電干擾限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備在0.15～1000MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾限值。CISPR24《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備對外部干擾信號的時域及頻域的抗干擾性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包括通信開關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測試內(nèi)容及測試方法要求，是目前通信開關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計的最基本要求。
IEC最近也出版了大量的基礎(chǔ)性電磁兼容性標準，其中最有代表性的是IEC61000系列標準。它規(guī)定電子電氣設(shè)備的雷擊、浪涌（SURGE）、靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT）、電流諧波、電壓跌落、電壓瞬變及短時中斷、電壓起伏和閃爍、輻射電磁場、由射頻電磁場引起的傳導(dǎo)干擾抗擾度、傳導(dǎo)干擾及輻射干擾等的電磁兼容性要求。
另外，美國聯(lián)邦委員會制訂的FCC15、德國電氣工程師協(xié)會制訂的VDE08712A1、VDE08712A2、VDE0878，都對通信設(shè)備的電磁兼容性提出了要求。
我國對電磁兼容性標準的研究比較晚。采取的最主要的辦法是引進、消化、吸收，洋為中用是國內(nèi)電磁兼容性標準制訂的最主要方法。1998年，信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)CISPR22、IEC61000系列標準及ITUTO.41標準，制訂了YD/T9831998《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法》，詳盡規(guī)定了通信電源設(shè)備包括通信開關(guān)電源的電磁兼容性的具體測試項目、要求及測試方法，為通信電源電磁兼容性的檢驗、達標并通過入網(wǎng)檢測明確了設(shè)計目標。
國標也等同采用了相應(yīng)的國際標準。如GB/T17626.1～12系列標準等同采用了IEC61000系列標準；GB92541998《信息技術(shù)設(shè)備的無線電干擾限值及測量方法》等同采用CISPR22；GB/T176181998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》等同采用CISPR24。
3開關(guān)電源的電磁兼容性問題
通信開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當復(fù)雜的。從整機的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產(chǎn)生的三個要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。共阻抗耦合主要是干擾源與受干擾體在電氣上存在共同阻抗，通過該阻抗使干擾信號進入受干擾對象。線間耦合主要是產(chǎn)生干擾電壓及干擾電流的導(dǎo)線或PCB線，因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生的感應(yīng)電場對受干擾體產(chǎn)生的耦合。磁場耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產(chǎn)生的低頻磁場對干擾對象產(chǎn)生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對相應(yīng)的受干擾體產(chǎn)生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區(qū)分的，只是側(cè)重點不同而已。
在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。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(guān)器件的工作狀態(tài)并非理想，在高頻開或關(guān)時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻干擾的一個重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，而產(chǎn)生高頻振蕩。因整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。
通信開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關(guān)無損吸收電路多利用L、C進行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐崿F(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)對差模及共模干擾信號的濾波，以及交流方波信號轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)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(dǎo)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?yōu)楦行?。不正確地使用濾波電容及引線過長，也是產(chǎn)生電磁干擾的一個原因。
通信開關(guān)電源由于功率密度高、智能化程度高，帶MCU微處理器，因而，其中有從高至近千伏到低至幾伏的電壓信號，從高頻的數(shù)字信號至低頻的模擬信號，電源內(nèi)部的場分布相當復(fù)雜。PCB布線不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、電源線輸入濾波不合理、輸入輸出電源線布線不合理、CPU及檢測電路的設(shè)計不合理，均會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定或降低對靜電放電、電快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。
4電磁兼容性研究及解決方法