通信開關電源電磁干擾的影響與抑制技術應用分析

鄭真福

（69016部隊，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引 言

2020年5月，工信部出臺《關于深入推進移動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，結合國家新型通信基礎設施建設以及決策部署，推動通信強國建設，要求擴大移動物聯(lián)網(wǎng)連接。針對通信行業(yè)應用環(huán)境和業(yè)務需求，重點開展關鍵技術研究，并加大相關試驗。我國電磁干擾抑制技術的研究始于20世紀80年代，結合國際標準完善了相關的體系認證，但隨著通信技術發(fā)展速度加快，軍事領域通信電磁干擾問題日益嚴重，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)、智能化發(fā)展趨勢下，對通信設備運行的穩(wěn)定性以及延展性帶來了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段，軍事通信開關電源高頻通斷狀態(tài)下，容易出現(xiàn)復雜的電磁干擾，污染電力通信環(huán)境，影響通信設備工作質(zhì)量與效果，甚至可能導致信號畸變引發(fā)重大故障[1]。為了強化通信設備運行的可靠性，對通信開關電源電磁干擾的影響與抑制技術應用加以探究具有重要意義。

1 通信開關電源電磁特性

通信開關電源的電磁特征可從電磁兼容出發(fā)，分為電磁干擾、電磁抗擾度兩個方面，如圖1所示，主要影響因素有以下幾點。一是電磁干擾源，主要是由電磁噪聲、無用信號、傳播媒介自身變化等引起，具體可分為自然干擾源和人為干擾源兩類，主要采取源頭抑制措施。二是干擾的傳輸通道，即將電磁干擾能量傳播到敏感設備的媒介，通常有傳導干擾和空間干擾兩類。傳導干擾需有完整的傳輸通道，空間干擾中的輻射干擾通常以天線耦合、場對線耦合、線對線耦合為主。通常情況下，電磁干擾的傳輸通道是復雜的，多種方式混雜共同作用，使得通道切斷抑制變得更加困難。三是敏感設備，即敏感元件的電磁抗擾度，通常情況下元件越靈敏，其越容易受到電磁干擾，抗性越低，在進行電路設計時需充分考慮到電磁抗擾度。可見，通信開關電源電磁干擾抑制需充分考慮到以上3個要素，采取綜合抑制措施。

圖1 通信開關電源電磁特性

2 通信開關電源電磁干擾的分類

2.1 功率開關管引發(fā)的電磁干擾

在干擾源中，功率開關管、時鐘源等將產(chǎn)生大量的干擾信號，容易被低壓控制電路吸收。功率開關管在開關狀態(tài)下將產(chǎn)生干擾信號，通過濾波器后傳播到被擾體（見圖2），主要的產(chǎn)生機理包括以下幾點。一是差模傳導，電感儲能放能的過程中產(chǎn)生電流紋波，對通信電路產(chǎn)生干擾；二是共模傳導，開關狀態(tài)下電位跳變產(chǎn)生位移電流，對通信電路產(chǎn)生干擾；三是輻射，即噪聲電流頻率較高的情況下，產(chǎn)生的高頻輻射噪聲；四是近場電磁耦合，即元器件之間耦合電容和互感相互干擾。通信開關電源波形近似為矩形，其中包含諧波、基頻，通過電源電路時產(chǎn)生強力電磁脈沖，從而形成電磁干擾。此外，由于功率開關管線圈感性負載，在電流導通的瞬間產(chǎn)生電壓脈沖，從而出現(xiàn)尖峰波形，衰減振蕩時將不斷引發(fā)漏感電磁疊加，使得電壓、電流出現(xiàn)瞬變，傳導到通信系統(tǒng)中，輸出干擾信號，影響通信質(zhì)量[2]。

圖2 功率開關管電磁干擾傳播與影響范圍

2.2 二極管反向恢復引發(fā)的電磁干擾

在通信開關電源中存在數(shù)個二極管，其狀態(tài)根據(jù)開關狀態(tài)不斷變化。當二極管從阻斷變?yōu)閷〞r，其電壓波形產(chǎn)生尖峰，再轉(zhuǎn)為阻斷時會迅速出現(xiàn)反向恢復電流。電流與電壓的不斷瞬時變化將引起電感電磁干擾，從而使得二極管成為通信開關電源中的干擾源[3]。為了減少二極管反向恢復引發(fā)的電磁干擾，在器件選擇時盡量縮短反向恢復時間，并增設吸收電路（見圖3），減少高頻振蕩電壓的頻率，吸收回路中的振蕩噪聲。但吸收電路會在一定程度上降低開關電源的運行效率，因此還需根據(jù)二極管反向恢復電磁干擾的實際影響以及高頻變壓器漏感的大小，調(diào)整吸收電路電阻值。

圖3 吸收電路

2.3 磁性元件引發(fā)的電磁干擾

通信開關電源中有著大量磁性元件，如變壓器、濾波電感等，電容裝置使得高頻干擾信號得以寄生，再加上線圈裝置等作用，容易出現(xiàn)漏感現(xiàn)象，從而進一步對通信電路產(chǎn)生輻射干擾[4]。從本質(zhì)上來看，在通信開關電源設計中，磁性元件的使用無法避免，只能夠通過屏蔽技術、印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）設計技術等來減少電磁吸收與干擾。

2.4 戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境引發(fā)的電磁干擾

在軍事通信領域，信息化戰(zhàn)場的電磁環(huán)境十分復雜，受到環(huán)境傳播條件的影響，空間分布密集度高，且隨著時間的變化，電磁干擾信號處于動態(tài)變化。因此，通信開關電源還需考慮到復雜電磁環(huán)境下的電磁干擾問題。戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的電磁干擾因素包括以下幾點。一是信號頻率，無線通信中部分干擾信號與價值信號關聯(lián)度不高，通過收信設備作用于電路，從而形成組合干擾。二是信號調(diào)制方式，通信電臺信號調(diào)制方式不同，差異化的信號調(diào)制使得干擾信號頻譜中心不一致，從而導致干擾抑制效果差。三是信號強度，信號質(zhì)量與信號強度密切相關，發(fā)射信號的強度也會影響干擾信號的強度，從而對接收系統(tǒng)造成影響。復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的電磁干擾無可避免，為了減少各種態(tài)勢下的信號干擾問題，可采取選頻、高速跳頻以及擴頻等技術，也可結合智能分析運用智能天線判斷干擾信號，確保戰(zhàn)場信息傳遞質(zhì)量與效率[5]。

3 通信開關電源電磁干擾常見的抑制技術

3.1 無源濾波技術

濾波是通信開關電源電磁干擾抑制的關鍵手段，設計原理簡單，成本投入少，抑制效果好且運行較為穩(wěn)定。無源濾波器主要由扼流圈和高頻電路構成（見圖4），通信開關電源狀態(tài)變化使得電流變化率較高，進而使得附近電路產(chǎn)生感應電流，出現(xiàn)差模、共模干擾，共模扼流圈、差模扼流圈能夠削減干擾信號，進而達到較好的干擾抑制效果[6]。

圖4 無源濾波器扼流圈結構及高頻電路模型

3.2 有源濾波技術

有源濾波技術主要針對共模干擾信號，在主回路中提取與干擾信號大小相等的信號并反向補償，通過晶體管放大電流，將發(fā)射級的電流傳回基極，并進行濾波，來降低干擾信號的影響。但由于有源濾波器參數(shù)敏感，不適用于高壓通信開關電源，且需根據(jù)信號干擾的實際情況選擇合適的安裝位置才能起到良好的抑制干擾作用。

3.3 電磁屏蔽技術

電磁屏蔽可分為靜電屏蔽、交變電磁屏蔽、整體屏蔽以及固定接地屏蔽。其中，靜電屏蔽主要針對通信開關電源固定磁場和靜電場干擾的影響。交變電磁干擾是開關電源運行中變壓器、電感器等磁性元件產(chǎn)生的電磁干擾，用鐵板、銅板及其他的屏蔽材料合理安裝，使得范圍內(nèi)的電磁波衰減，減少信號干擾。整體屏蔽防止通信開關電源的電磁干擾影響到其他通信設備，在開關電源外設置屏蔽殼和屏蔽罩等，將系統(tǒng)接地，使得電磁信號不外泄。但在通信開關電源運行過程中仍舊有部分電線與材料等容易泄露，且整體屏蔽成本高、效果單一、散熱困難。固定接地屏蔽是將電磁干擾信號較多的系統(tǒng)或設備進行獨立的屏蔽電路設計，以此來解決局部電磁干擾問題。

3.4 PCB設計技術

為了能夠從根本上強化電磁干擾的抑制效果，PCB設計至關重要，合理的電路設計能夠減少電路與元件之間的電磁串擾問題，減少整體的輻射干擾[7]。在進行PCB設計時應遵循以下原則：一是干擾源劃分；二是功率強弱劃分；三是數(shù)字與模擬電路劃分；四是合理布線。在PCB設計后，應對其合理性進行驗證，設計流程與仿真流程如圖5所示。

圖5 PCB設計流程與仿真流程

3.5 擴頻調(diào)制技術

擴頻調(diào)制技術通過整合干擾信號，實行編碼、解碼，擴寬載波頻率進而實現(xiàn)有效的信號控制，以此來減少諧波能量。在戰(zhàn)場通信中，擴頻調(diào)制技術具有重要價值，能夠降低信號被敵方截獲的概率，同時也加載偽干擾，使得信號難辨，強化戰(zhàn)場信號傳輸?shù)陌踩浴４送猓啾绕渌姶鸥蓴_抑制技術來說，擴頻調(diào)制技術應用靈活性強，原理簡單，效果較好，且對通信開關電源的效率不會造成影響，因此應用十分廣泛。

3.6 功率因數(shù)校正技術

對于部分直流通信開關電源來說，其電磁干擾抑制性差的原因在于干擾直接影響了波形，使得功率因數(shù)降低。功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術能夠減少諧波能量，校正波形，改善開關電源的輸入特性，實現(xiàn)功率因數(shù)的提升。從本質(zhì)上來看，該電磁干擾抑制方法與有源濾波類似，但效果更好、適用范圍更廣，但電路設計困難。

4 通信開關電源電磁干擾抑制技術應用措施

4.1 源頭抑制措施

在軍事通信領域，通信開關電源電磁干擾抑制的控制應做到方方面面，從設備源頭、通信過程等多個角度加大電磁干擾抑制技術的應用與研究，從整體上提高電磁干擾抑制效果。源頭抑制即從通信開關電源的根本出發(fā)，減少電磁干擾信號的產(chǎn)生，可采用的技術有PFC技術、軟開關技術等，可將抑制的重點放在以下幾點。一是通信開關電源功率因數(shù)的提升，通過校正波形來減少干擾信號的產(chǎn)生。二是提高電磁兼容性，通過電流轉(zhuǎn)化、緩沖電路、吸收電路等，改善通信開關電源的電磁兼容特性，以此來減少電磁干擾的出現(xiàn)。三是優(yōu)化設計，如PCB設計等，通過優(yōu)化通信開關電源PCB設計方案，進行大量的仿真試驗來減少電磁干擾。為了強化其在軍事通信中的應用效果，應積極出臺相應的政策，鼓勵通信產(chǎn)業(yè)、開關電源產(chǎn)業(yè)加大有關技術的研發(fā)與設計，提高設計的可靠性以及通信開關電源運行的穩(wěn)定性。

4.2 切斷干擾抑制措施

在諸多通信開關電源抑制措施中，切斷干擾抑制方法應用的靈活性較差，只能夠針對一類或某一固定范圍的電磁干擾進行切斷，或?qū)﹄姶鸥蓴_信號進行規(guī)避，從而減少干擾信號的影響，如濾波技術、選頻技術以及高速跳頻技術等。隨著智能技術的發(fā)展與應用，其在軍事通信領域有了一定的實踐成果，如虛擬智能天線和智能組網(wǎng)技術等，能夠?qū)νㄐ胚^程中出現(xiàn)的干擾信號加以智能識別與精準判斷，以此來調(diào)整并優(yōu)化信號，實現(xiàn)智能化信息傳輸。

4.3 屏蔽抑制措施

通信開關電源電磁干擾的屏蔽抑制主要應用在兩個方面。一是開關電源內(nèi)部通過閉合磁環(huán)、絕緣層以及屏蔽層等進行電路屏蔽，防止內(nèi)部磁性元件之間形成干擾耦合，對通信開關電源的運行效率產(chǎn)生影響。二是對通信開關電源的整體電磁干擾進行外部屏蔽，尤其是在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中，防止其對其他通信設備及信號傳輸造成干擾，通常采用屏蔽罩和屏蔽殼等，綜合搭配其他干擾抑制技術，從而形成良好的整體抑制效果。

5 結 論

如今，通信開關電源的應用領域日漸拓寬，應加大通信開關電源電磁干擾抑制技術的研究，進一步推動通信開關電源電磁抑制技術向著智能化、靈活化的方向前進，使其在我國通信行業(yè)、軍事領域等發(fā)揮重要價值。