深圳市中兴通讯股份有限公司 赵燕军 康希荣
摘要：简要介绍了通信开关电源的电磁兼容性要求、国内外标准、电磁兼容性的成因、研究解决方法及国内通信开关电源的电磁兼容性现状。
1 引言
通信开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、工作可靠、具有远程监控等原因，广泛的应用于程控交换、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。
随着信息技术的发展，信息技术设备遍布祖国大江南北，从发达的中心城市至贫穷落后的偏远山区，为人与人间的沟通交流及数据传输提供了极大的便利。通信设备的电网供电质量由于城乡间的差异，即有稳定的大电网如核电、火电、水电等并网的供电方式，同时也有独立的小水电单独供电方式。特别是在小水电站供电方式下，因水量的变化复杂、用户用电量的变化较大及设备工作的不稳定，造成电网波形失真严重及其电网电压和大幅波动，同时因配电系统的接线不规范，对通信开关电源也造成了严峻的考验。
铁路通信及电力通信正在发展壮大。由于电力机车经过之处，产生很强的感应电压，使地线电压产生很大的波过，从而引起电网电压的很大的波动，强大的电场容易引起开关电源设备工作的瞬时不稳定。在高压电网运行的通信开关电源，虽然电网电压稳定，但容易受电网负载变化等引起的强电磁场的搔扰影响。
用于基站的通信用开关电源，由于多安装在较高的建筑物上或是山顶，更容易受到雷电的袭击。
因此，通信开关电源要有很强的抗电磁搔扰的能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压、静电、电场、磁场及电磁波等要有足够的抗扰动能力，保证自身能够正常工作以及通信设备供电的不间断而且稳定。
另一方面，因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。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，这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出，对与通信电源在同一电网上供电的其它设备及电网产生搔扰，同时对由通信电源供电的设备如程控交换设备、无线基站、光传输设备及有线电视设备等产生搔扰，使设备不能正常工作。由于电压差可以产生电场、电流的流动可以产生磁场，丰富的谐波电压电流的高频部分，在开关电源内部产生电磁场，造成开关电源内部工作的不稳定，使电源的性能降低。有部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙，向周围空间辐射，与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场，一起通过空间传播的方式，对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成搔扰，引起其它设备工作异常。
因此，要限制通信开关电源对由负载线、电源线产生的传导搔扰量对空间产生的辐射电磁场搔扰量，使之能与处于同一环境中的其它电信设备均能够正常工作，互不产生搔扰。
2 电磁兼容性的国内国外标准
电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能随的电磁搔扰的能力
要彻底消除设备的电磁搔扰及对外部一切电磁搔扰信号不敏感是不可能的。只能通过制订系统内设备与设备之间的相互允许产生的电磁搔扰大小及抵抗电磁搔扰的能力，才能使电气设备及系统间达到电磁兼容性的要求。国内外大量的电磁兼容性标准，为系统内的设备相互达到电磁兼容性要求制订了约束条件。
国际无线电干扰特别委员会（CISPR）是国际电工委员会（IEC）下属的一个电磁兼容标准化组织，早在1934年就开展EMC标准的研究，下设六个分会。其中第六分会（SCC）主要负责制订关于干扰测量接收机及测量方法的研究。CISPR16《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》对电磁兼容性测量接收机、辅助设备的性能以及校准方法作出了详细的要求。CISPR17《无线电干扰滤波器及抑制元件的抑制特性测量》制订了滤波器的测量方法。CISPR22《信息技术设备的无线电搔扰限值和测量方法》规定了信息技术设备在0.15-1000MHz频率范围内产生的电磁搔扰限值。CISPR24《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》规定了信息技术设备对外部搔扰信号的时域及频域的抗搔扰性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24构成了信息技术设备包括通信开关电源设备的电磁兼容性测试内容及测试方法要求。是目前通信开关电源电磁兼容性设计的最基本要求。
IEC最近也出版了大量的基础性电磁兼容标准。其中最有代表性的是IEC61000系列标准，规定了电子电气设备的雷击浪涌（SURGE）、静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）、电流谐波、电压跌落、电压瞬变及短时中断、电压起伏和闪烁、辐射电磁场、由射频电磁场引起的传导搔扰抗扰度、传导搔扰及辐射搔扰等的电磁兼容性要求。
另外，美国联邦委员会制订的FCC15、德国电气工程师协会制订的VDC0871-1A1、VDE0971-2A2、VDE0878，都对通信设备的电磁兼容性提出了要求。
我国对电磁兼容性标准的研究比较晚。采取的最主要的办法是引进、消化、吸收。洋为中用是国内电磁兼容性标准的制订的最主要的方法。1998年，信息产业部根据CISPR22、IEC61000系列标准及ITU-T 0.41标准，制订了UD/T983-1998《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》，详尽的规定了通信电源设备包括通信开关电源的电磁兼容性的具体测试项目、要求及测试方法，为通信电源电磁兼容性的检验、达标并通过入网检测明确了设计目标。
国标也等同采用了相应的检测明确了国际标准。如GB/T 17626.1-12系列标准等同采用了IEC61000系列标准；GB9254-1998《信息技术设备的无线电搔扰限值及测量方法》等同采用CISPR22；GB/T17618-1998《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》等同采用CISPR24。
3 开关电源引起电磁兼容性的原因
通信开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下，其引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合电磁波耦合几种。电磁兼容产生的三个要素为：搔扰源、传播途径及受搔扰体。共阻耦合主要是搔扰源与受搔扰体在电气上存在的共同的阻抗，通过该阻抗使搔扰信号进入受搔扰对象。线间耦合主要是产生搔扰电压及搔扰电流的导线或PCB线，因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的感应电场对受搔扰体产生的耦合。磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近，产生的低频磁场对搔扰对象产生的耦合。而电磁场耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受搔扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。
在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关电压及开关电流的接近方波，从频谱分析知，方波信号含有丰富的高次谐波，该高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。同时，由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状态非理想，在高频开或关时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流二级管，也是产生高频搔扰的一个重要原因。因整流及续流二极管工作在高频开关状态，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，且产生高频振荡。因整流及续流二极管一般离电源输出线较近，其产生的高频搔扰最容易通过直流输出线传出。
通信开关电源为了提高功率因数，均采用了有源功率因数效正电路。同时，为了提高电路的效率及可靠性，减小功率器件的电应力，大量的采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大的降低了开关器件所产生的电磁搔扰。但是，软开关无损吸收电路，多数利用L、C进行能量转移，利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换，因而，该谐振电路中的二极管成为电磁搔扰的一大搔扰源。
通信开关电源中，一般利用储能电感及电容器，组成L、C滤波电路，实现对差模及共模搔扰信号的滤波，以及交流方波信号转换为平滑的直流信号。由于电感线圈的分布电容，导致了电感线圈的自谐振频率降低，从而使大量的高频搔扰信号穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器，随着搔扰信号频率的上升，由于引线电感的作用，导致电容量及滤波效果不断的下降，直至谐振频率以上时，完全失去电容器的作用而变为感性。不正确的使用滤波电容及引线过长，也是产生电磁搔扰的一个原因。
通信开关电源由于功率密度高、智能化程度高，带MCU微处理器，因而，从高至近千伏的电压信号，到低至几伏的电压信号；从高频的数字信号，至低频的模拟信号，电源内部的场分布相当复杂。PCB布线不合理、结构设计不合理、电源线输入滤波不合理、输入输出电源线布线不合理及CPU、检测电路的设计不合理，均会导致系统工作的不稳定或如静电放电、电快速瞬变脉冲群、雷击、浪涌及传导搔扰、辐射搔扰及辐射电磁场抗扰性能力的降低。
4 电磁兼容性研究及解决方法
电磁兼容性的研究，一般运用CISPR16及IEC61000中规定的电磁场检测仪器及各种搔扰信号模拟器、辅助设备，在标准测试场地或实验室内部，通过详尽的测试分析、结合对电路性能的理解与改进来进行分析研究。
从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三个方面入手。第一：减小搔扰源产生的搔扰信号。第二：切断搔扰信号的传播途径。第三，增强受搔扰体的抗搔扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时，可以综合运用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。因而，开关电源产生的对外搔扰，如电源线谐波电流、电源线传导搔扰、电磁场辐射搔扰等，只能用减小搔扰源的方法来解决。一方面，可以增强输入输出滤波电路的设计，改善APFC电路的性能，减小开关管及整流续流二极管的电压电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。而对外部的抗搔扰能力，如浪涌、雷击应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力，通常，对1.2/50us开路电压及8/20US短路电流的组合雷击波形，因能量较小，采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决。对于静电放电，通常在通信端口及控制端口的小信号电路中，采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电搔扰的器件。快速瞬变信号含有很宽的频谱，很容易以共模的方式传入控制电路内，采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波（加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等）来提高系统的抗扰性能。
减小开关电源的内部搔扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几方面入手：注意数字电路与模块电路PCB布线的正确分区、数字电路与模拟电路单点的接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻搔扰、减小地环的影响、布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰、减小高压大电流回路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容回路所包围的面积，减小输出整流回路及续流二极管回路与直流滤波器所包围的面积，减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容、运用谐振频率高的滤波电容器等。
MCU与液晶显示器的数据线、地址线工作频率较高，是产生辐射发射的主要搔扰源：小信号电路是抗外界搔扰的最薄弱环节，适当的增设提高抗搔扰能力的TVS及高频电容、铁氧体磁珠等元器件，以提高小信号电路的抗搔扰能力；与机壳距离较近的小信号电路，应加适当的绝缘体耐压处理等。功率器件的散热器、主变压器的电磁屏蔽层要适当的接地，综合考滤各种接地措施，有助于提高整机的电磁兼容性。各控制单元间的大面积接地用接地板屏蔽，可以改善开关电源内部工作的稳定性。
整流器的机架上，要考虑各整流器间的电磁耦合、整机地线布置、交流输入中线、地线及直流地线、防雷地线间的正确关系、电磁兼容级的正确分配等。
开关电源对内、外的搔扰及抗搔扰中，共模信号与开关器件的工作方式、散热器的安装及整机PCB板与机壳的连接有相当复杂的关系，共模信号在一定的条件下又可转变成差模信号。解决共模搔扰最简单的方法是解决好各电路单元与整机端口、机壳间的问题。整机屏蔽难以实施且成本较高，在无可赖何的情况下才采用该措施。
5 国内通信开关电源的电磁兼容性改进现状
自YD/T983标准开始起草以来，国内通信电源制造商纷纷开始电磁兼容性的研究。由于电磁兼容性测试仪器、试验场地建设费用很高，且需要有经验的研发人员，很多制造商不能有自己的试验室，对电磁兼容性的研究造成了一定的困难。YD/T983标准中，抗扰度指标选用了国外标准中较低等级。除雷击浪涌、ESD及EFT指标外，其它抗扰度指标均比较容易达到要求。电磁搔扰指标如传导搔扰及辐射搔扰指标，由于很难满足标准的要求，是目前电磁兼容性研究的热点内容。国内只有极少数的厂家可以完全达到相关的标准的要求。
中兴通信建立了自己的电磁兼容性试验室，在通信开关电源研发的初期，就致力于电磁兼容性的研究工作。其通信开关电源的前级运用最先进的有源功率因数校正技术加无损吸收电路，后级DC-DC采用零电压零电流（ZVZCS）相移谐振软开关技术或双管正激无损吸收软开关技术，通过专业的电源输入输出滤波器设计及防雷设计，以及对整机的安全性、数字接口电路的抗静电设计及抗快速瞬变脉冲群设计，对整机结构洽到好处的电磁静电设计及抗快速瞬变脉冲群设计，对整机结构洽到好处的电磁屏蔽设计，不仅使整机内部的电磁环境良好，工作稳定，可靠性提高，也使通信开关电源对外的电流谐波、电起伏和闪烁、传导搔扰及辐射搔扰达到或超过CISJPR22标准规定的A级要求。使输入交流电源线能够承受至少±6KV(1.2/50us与8/20us的综合波)浪涌电压搔扰、直流电源线能够承受至少±2KV的浪涌电压；整机外部能够承受至少±8KV的静电放电及3V/M的高频电磁场搔扰，300A/M的工频磁场搔扰。宽广的交流输入电压范围，使整机的电压跌落、电压瞬变及电压短时中断等搔扰过后，开关电源能够正常工作。专业的采集全国各地的电网搔扰电压，均在中兴开关电源上经过验证分析。
中兴通信系列开关电源的电磁兼容性指标，已完全满足并超过了YD/T983-1998《通信开关电源设备电磁兼容性要求及测量方法》中所规定的所有项目的指标，部分产品已通过CE认证及FCC认证中的全部电磁兼容性指标，是真正的环保型通信开关电源。特别适合于移动基站、程控交换设备、IP电话、有线电视等数据通信传输设备以及铁路、水电、火电站等强的电磁场搔扰的场合使用。
摘自《中国电源博览》2001.4期
|