通信开关电源电磁干扰的影响与抑制技术应用分析

2021-03-16郑真福

通信电源技术 2021年19期

郑真福

（69016部队，新疆乌鲁木齐 830092）

0 引言

2020年5月，工信部出台《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》，结合国家新型通信基础设施建设以及决策部署，推动通信强国建设，要求扩大移动物联网连接。针对通信行业应用环境和业务需求，重点开展关键技术研究，并加大相关试验。我国电磁干扰抑制技术的研究始于20世纪80年代，结合国际标准完善了相关的体系认证，但随着通信技术发展速度加快，军事领域通信电磁干扰问题日益严重，尤其是在物联网、智能化发展趋势下，对通信设备运行的稳定性以及延展性带来了新的挑战。现阶段，军事通信开关电源高频通断状态下，容易出现复杂的电磁干扰，污染电力通信环境，影响通信设备工作质量与效果，甚至可能导致信号畸变引发重大故障[1]。为了强化通信设备运行的可靠性，对通信开关电源电磁干扰的影响与抑制技术应用加以探究具有重要意义。

1 通信开关电源电磁特性

通信开关电源的电磁特征可从电磁兼容出发，分为电磁干扰、电磁抗扰度两个方面，如图1所示，主要影响因素有以下几点。一是电磁干扰源，主要是由电磁噪声、无用信号、传播媒介自身变化等引起，具体可分为自然干扰源和人为干扰源两类，主要采取源头抑制措施。二是干扰的传输通道，即将电磁干扰能量传播到敏感设备的媒介，通常有传导干扰和空间干扰两类。传导干扰需有完整的传输通道，空间干扰中的辐射干扰通常以天线耦合、场对线耦合、线对线耦合为主。通常情况下，电磁干扰的传输通道是复杂的，多种方式混杂共同作用，使得通道切断抑制变得更加困难。三是敏感设备，即敏感元件的电磁抗扰度，通常情况下元件越灵敏，其越容易受到电磁干扰，抗性越低，在进行电路设计时需充分考虑到电磁抗扰度。可见，通信开关电源电磁干扰抑制需充分考虑到以上3个要素，采取综合抑制措施。

图1 通信开关电源电磁特性

2 通信开关电源电磁干扰的分类

2.1 功率开关管引发的电磁干扰

在干扰源中，功率开关管、时钟源等将产生大量的干扰信号，容易被低压控制电路吸收。功率开关管在开关状态下将产生干扰信号，通过滤波器后传播到被扰体（见图2），主要的产生机理包括以下几点。一是差模传导，电感储能放能的过程中产生电流纹波，对通信电路产生干扰；二是共模传导，开关状态下电位跳变产生位移电流，对通信电路产生干扰；三是辐射，即噪声电流频率较高的情况下，产生的高频辐射噪声；四是近场电磁耦合，即元器件之间耦合电容和互感相互干扰。通信开关电源波形近似为矩形，其中包含谐波、基频，通过电源电路时产生强力电磁脉冲，从而形成电磁干扰。此外，由于功率开关管线圈感性负载，在电流导通的瞬间产生电压脉冲，从而出现尖峰波形，衰减振荡时将不断引发漏感电磁叠加，使得电压、电流出现瞬变，传导到通信系统中，输出干扰信号，影响通信质量[2]。

图2 功率开关管电磁干扰传播与影响范围

2.2 二极管反向恢复引发的电磁干扰

在通信开关电源中存在数个二极管，其状态根据开关状态不断变化。当二极管从阻断变为导通时，其电压波形产生尖峰，再转为阻断时会迅速出现反向恢复电流。电流与电压的不断瞬时变化将引起电感电磁干扰，从而使得二极管成为通信开关电源中的干扰源[3]。为了减少二极管反向恢复引发的电磁干扰，在器件选择时尽量缩短反向恢复时间，并增设吸收电路（见图3），减少高频振荡电压的频率，吸收回路中的振荡噪声。但吸收电路会在一定程度上降低开关电源的运行效率，因此还需根据二极管反向恢复电磁干扰的实际影响以及高频变压器漏感的大小，调整吸收电路电阻值。

图3 吸收电路

2.3 磁性元件引发的电磁干扰

通信开关电源中有着大量磁性元件，如变压器、滤波电感等，电容装置使得高频干扰信号得以寄生，再加上线圈装置等作用，容易出现漏感现象，从而进一步对通信电路产生辐射干扰[4]。从本质上来看，在通信开关电源设计中，磁性元件的使用无法避免，只能够通过屏蔽技术、印刷线路板（Printed Circuit Board，PCB）设计技术等来减少电磁吸收与干扰。

2.4 战场复杂电磁环境引发的电磁干扰

在军事通信领域，信息化战场的电磁环境十分复杂，受到环境传播条件的影响，空间分布密集度高，且随着时间的变化，电磁干扰信号处于动态变化。因此，通信开关电源还需考虑到复杂电磁环境下的电磁干扰问题。战场复杂电磁环境的电磁干扰因素包括以下几点。一是信号频率，无线通信中部分干扰信号与价值信号关联度不高，通过收信设备作用于电路，从而形成组合干扰。二是信号调制方式，通信电台信号调制方式不同，差异化的信号调制使得干扰信号频谱中心不一致，从而导致干扰抑制效果差。三是信号强度，信号质量与信号强度密切相关，发射信号的强度也会影响干扰信号的强度，从而对接收系统造成影响。复杂战场电磁环境的电磁干扰无可避免，为了减少各种态势下的信号干扰问题，可采取选频、高速跳频以及扩频等技术，也可结合智能分析运用智能天线判断干扰信号，确保战场信息传递质量与效率[5]。

3 通信开关电源电磁干扰常见的抑制技术

3.1 无源滤波技术

滤波是通信开关电源电磁干扰抑制的关键手段，设计原理简单，成本投入少，抑制效果好且运行较为稳定。无源滤波器主要由扼流圈和高频电路构成（见图4），通信开关电源状态变化使得电流变化率较高，进而使得附近电路产生感应电流，出现差模、共模干扰，共模扼流圈、差模扼流圈能够削减干扰信号，进而达到较好的干扰抑制效果[6]。

图4 无源滤波器扼流圈结构及高频电路模型

3.2 有源滤波技术

有源滤波技术主要针对共模干扰信号，在主回路中提取与干扰信号大小相等的信号并反向补偿，通过晶体管放大电流，将发射级的电流传回基极，并进行滤波，来降低干扰信号的影响。但由于有源滤波器参数敏感，不适用于高压通信开关电源，且需根据信号干扰的实际情况选择合适的安装位置才能起到良好的抑制干扰作用。

3.3 电磁屏蔽技术

电磁屏蔽可分为静电屏蔽、交变电磁屏蔽、整体屏蔽以及固定接地屏蔽。其中，静电屏蔽主要针对通信开关电源固定磁场和静电场干扰的影响。交变电磁干扰是开关电源运行中变压器、电感器等磁性元件产生的电磁干扰，用铁板、铜板及其他的屏蔽材料合理安装，使得范围内的电磁波衰减，减少信号干扰。整体屏蔽防止通信开关电源的电磁干扰影响到其他通信设备，在开关电源外设置屏蔽壳和屏蔽罩等，将系统接地，使得电磁信号不外泄。但在通信开关电源运行过程中仍旧有部分电线与材料等容易泄露，且整体屏蔽成本高、效果单一、散热困难。固定接地屏蔽是将电磁干扰信号较多的系统或设备进行独立的屏蔽电路设计，以此来解决局部电磁干扰问题。

3.4 PCB设计技术

为了能够从根本上强化电磁干扰的抑制效果，PCB设计至关重要，合理的电路设计能够减少电路与元件之间的电磁串扰问题，减少整体的辐射干扰[7]。在进行PCB设计时应遵循以下原则：一是干扰源划分；二是功率强弱划分；三是数字与模拟电路划分；四是合理布线。在PCB设计后，应对其合理性进行验证，设计流程与仿真流程如图5所示。

图5 PCB设计流程与仿真流程

3.5 扩频调制技术

扩频调制技术通过整合干扰信号，实行编码、解码，扩宽载波频率进而实现有效的信号控制，以此来减少谐波能量。在战场通信中，扩频调制技术具有重要价值，能够降低信号被敌方截获的概率，同时也加载伪干扰，使得信号难辨，强化战场信号传输的安全性。此外，相比其他电磁干扰抑制技术来说，扩频调制技术应用灵活性强，原理简单，效果较好，且对通信开关电源的效率不会造成影响，因此应用十分广泛。

3.6 功率因数校正技术

对于部分直流通信开关电源来说，其电磁干扰抑制性差的原因在于干扰直接影响了波形，使得功率因数降低。功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术能够减少谐波能量，校正波形，改善开关电源的输入特性，实现功率因数的提升。从本质上来看，该电磁干扰抑制方法与有源滤波类似，但效果更好、适用范围更广，但电路设计困难。

4 通信开关电源电磁干扰抑制技术应用措施

4.1 源头抑制措施

在军事通信领域，通信开关电源电磁干扰抑制的控制应做到方方面面，从设备源头、通信过程等多个角度加大电磁干扰抑制技术的应用与研究，从整体上提高电磁干扰抑制效果。源头抑制即从通信开关电源的根本出发，减少电磁干扰信号的产生，可采用的技术有PFC技术、软开关技术等，可将抑制的重点放在以下几点。一是通信开关电源功率因数的提升，通过校正波形来减少干扰信号的产生。二是提高电磁兼容性，通过电流转化、缓冲电路、吸收电路等，改善通信开关电源的电磁兼容特性，以此来减少电磁干扰的出现。三是优化设计，如PCB设计等，通过优化通信开关电源PCB设计方案，进行大量的仿真试验来减少电磁干扰。为了强化其在军事通信中的应用效果，应积极出台相应的政策，鼓励通信产业、开关电源产业加大有关技术的研发与设计，提高设计的可靠性以及通信开关电源运行的稳定性。

4.2 切断干扰抑制措施

在诸多通信开关电源抑制措施中，切断干扰抑制方法应用的灵活性较差，只能够针对一类或某一固定范围的电磁干扰进行切断，或对电磁干扰信号进行规避，从而减少干扰信号的影响，如滤波技术、选频技术以及高速跳频技术等。随着智能技术的发展与应用，其在军事通信领域有了一定的实践成果，如虚拟智能天线和智能组网技术等，能够对通信过程中出现的干扰信号加以智能识别与精准判断，以此来调整并优化信号，实现智能化信息传输。

4.3 屏蔽抑制措施

通信开关电源电磁干扰的屏蔽抑制主要应用在两个方面。一是开关电源内部通过闭合磁环、绝缘层以及屏蔽层等进行电路屏蔽，防止内部磁性元件之间形成干扰耦合，对通信开关电源的运行效率产生影响。二是对通信开关电源的整体电磁干扰进行外部屏蔽，尤其是在复杂战场环境中，防止其对其他通信设备及信号传输造成干扰，通常采用屏蔽罩和屏蔽壳等，综合搭配其他干扰抑制技术，从而形成良好的整体抑制效果。