基于接地设计优化的高频开关电源电磁干扰抑制分析

劳曾霞 陈 宇

（1.广东中质检测技术有限公司，广东 广州 510663；2.广州珠江电信设备制造有限公司，广东 广州 510540）

0 引言

随着通信技术的发展，通信用高频开关电源的应用越来越广泛。因工作在高电压大电流的开关状态下，通信用高频开关电源容易因电磁干扰而导致工作不正常甚至损坏。在我国，有许多边远落后地区使用小水电来供电，市电电压极不稳定，长时间处于低电压或频繁大幅度波动的状态。为了保证通信设备的正常工作，通信基站用高频开关电源应具有输入适应范围宽、输出稳定及抗电磁干扰能力强的特性。笔者在研制某型号高频开关电源系统产品过程中，曾遇到因电磁干扰导致在低输入电压工作时部分整流模块出现异常的情况，后通过优化接地设计抑制了电磁干扰，使开关电源系统能够在宽电压范围内稳定可靠工作。该型号产品量产后，顺利通过市科技项目鉴定及验收，大批量产品投入到全国各地的移动基站使用，经受了各种恶劣条件的长时间考验，实践证明，优化接地设计能有效抑制电磁干扰。

1 整流模块的主要组成、安全接地、内部信号参考地及隔离方法

笔者研制的该型号产品由12个并联工作的高频开关电源（以下简称整流模块）、机架、三相输入配电、直流输出配电及监控模块等组成。整流模块的额定输出电压／电流：48 V／30 A（或24 V／60 A）；市电输入工作范围：AC100～300 V（低市电AC100～175 V限制功率输出，其中AC100～130 V限制功率输出为55%额定功率）。

1.1 整流模块的主要组成

整流模块主要由2级LC输入滤波电路、整流与慢启动电路、有源功率校正电路（PFC主回路及控制电路）、辅助电源、低市电限制功率电路、DC／DC变换及其控制电路等组成。图1为未优化接地设计的整流模块框图。其中的低市电限制功率输出是对整流模块的保护，其能避免整流模块工作在低输入市电范围时因输入电流过大损坏。电路由运放U1、稳压器U4、二极管D1及光耦ISO1等组成，如图2所示。经过R1取样，当市电降低使U1比较器的“－”相输入电压比基准Vr低时，输出VD由低电平变高电平，光电耦合器ISO1导通，产生限流电压送到DC／DC变换控制部分的限流电路，以限制整流模块的功率输出。

1.2 整流模块的安全接地

整流模块内部滤波电路的共模电容、外壳连接整流模块的接地插针，当整流模块插入机架后和机架系统的地线铜排（低阻通路）连接到大地，其目的是保障设备及人的安全。

1.3 整流模块内部的信号参考地及隔离方法

1.3.1 整流模块内部的信号参考地

图1 整流模块的安全接地、内部信号参考地及隔离方法（改进前）

图2 低市电限功率简化电路（改进前）

信号参考地是为了使电路正常工作，所有信号都需要的公共参考点或面，用以提供电路公共地回路。要求电路接地对所有工作频率都表现为低阻抗特性。具体是：高电平大功率地PGND（PFC主回路及其控制电路、DC／DC变换及辅助电源初级等）；低电平直流地AGND（DC／DC变换控制电路、辅助电源次级）。

1.3.2 整流模块内部的隔离方法

交流市电输入AC（电网端）与直流输出DC（负载端）由主功率开关变压器Tr1隔离，这是电源系统EMC的要求；输入端高电平浮地PGND的主回路与输出端低电平浮地AGND的控制驱动电路可由门脉冲驱动变压器Tr3或光电耦合器隔离，这是系统内EMC的要求；PGND的检测电路与AGND的控制电路可由光电耦合器ISO1隔离，这是系统内EMC的要求。

2 电磁干扰典型实例、原因分析及抑制措施

研制过程的测试验证阶段发现，单个开关电源工作正常，各项性能指标均符合设计任务书要求，而多个整流模块装入机架系统三相并机工作并且将输入电压降到AC130 V以下，或从100 V开机电压上升至低于AC130 V时，偶然会出现一相或两相的同相内整流模块低市电限功率电路失效，并有同相内整流模块相互干扰的情况。具体表现是：低市电限功率电路中的运放U1在低市电输入AC130 V以下时，其输出VD没有跳变到高电平，没有限流电压送到DC／DC控制的限流电路，以致整流模块的输出功率没有限制。此时可以听到整流模块内部的高频啸叫声，用示波器可以观察到整流模块输入电压的波形，发现正弦波局部有频率大约为10 k Hz的谐振，如图3所示。这是由于整流模块的内部电感电容谐振通过输入线干扰了外部的同相整流模块，而同相整流模块的相互干扰也加剧了内部对低市电限功率电路的干扰。此时，整流模块内部主电路和低市电限功率电路之间、2整流模块之间进入了相互干扰的恶性循环。如果不尽快退出这种工作状态，将由于输入电流过大导致PFC的储能电感、电流传感磁芯饱和，导致功率开关管损坏及整流模块故障。

图3 低市电输入时电压干扰波形示意图

要解决电磁干扰问题，就要从干扰的要素着手：第一是抑制电磁干扰源，第二是切断传播通道（耦合途径），第三是提高受感体（敏感设备）抗扰度。人们使用的抑制干扰的技术有滤波技术、接地技术和屏蔽技术，其中屏蔽技术是抑制辐射干扰的主要措施。显然，这里要抑制的是传导干扰，常用的滤波技术是根据有用信号和干扰信号的不同频谱，而采用滤波器将干扰滤除。笔者在调试并寻求解决方法时，也尝试在低市电传感比较的输入端增加滤波将干扰滤除，以及对整流模块的2级输入滤波电路进行调整改进，但由于干扰幅度不小，受空间位置及其他因素的限制，没有取得预期效果。

分析PFC主电路、DC／DC变换电路与低市电传感比较电路的性质发现，PFC主电路、DC／DC变换电路的电压为400 V，开关应力dv／dt、dv／di很大，如：dv→400 V，dt→1μs，则开关应力达dv／dt＝400 V／μs，而低市电传感比较电路的工作电压VC为低压15 V。可见，PFC主电路、DC／DC变换电路为高电平强功率电路，而低市电传感比较电路为低电平弱功率电路。当高电平强功率电路工作在大电流状态（如市电降低）时，由于接地阻抗的作用接地电压增加，电磁干扰增加，造成低市电传感比较电路失效，也导致整流模块的输入电流过大，PFC储能电感与内部的电容产生谐振，干扰同相模块，同时储能电感工作过热发出高频啸叫声。

为了彻底抑制上述电磁干扰，从源头上解决电磁干扰问题，采取了将低市电传感比较电路从PFC主电路分离出来的方法，把原来从整流之后取样改为从整流之前取样，经半波整流并滤波，另设独立的参考地PN，其他电路结构基本不变，具体如图4、图5所示。重新设计排布印制板，仔细选择接地点或采用接地面，设计排布顺序遵循地线、电源线、信号线、控制线的原则，确保接地阻抗最小。经过改进设计，低市电传感比较电路工作正常，在低市电输入AC130 V以下时正常送出限流电压，使整流模块的功率限制电路正常工作，并完全消除同相内整流模块的干扰，保证了整个电源系统工作的可靠性与稳定性。

图4 整流模块的安全接地、内部信号参考地及隔离方法（改进后）

图5 低市电限功率简化电路（改进后）

3 结语

采取上述措施进行接地的优化设计，几乎不用增加元器件，也没有增加空间位置，既抑制了电磁干扰，又提高了受感体的抗扰度。实践证明，合理、良好的接地设计，是一种简单可行、成本低且有效的抑制电磁干扰的好方法。

理想接地体是指零阻抗（传导干扰）和零电位（辐射干扰）的物理实体，所以大地是理想接地体。但实际上，不可能将信号电平的基准点都接至大地接地体，所以，有各种抑制电磁干扰的接地技术。随着技术的发展，现代机电产品集成度越来越高、密度越来越大，电路功能块之间、设备之间的电磁干扰问题日益突出，接地设计将日益重要并需不断探索。