基于改進雙電流探頭法的EMI噪聲源內(nèi)阻抗測量

1、第 39卷 增刊 (II 2009年 11月 東 南 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition V ol . 39Sup (II N ov . 2009 基于改進雙電流探頭法的 E M I 噪聲源內(nèi)阻抗測量趙 波 1, 2 封志明 2 趙 敏 1 水利民 2 姚 敏1(1南京航空航天大學自動化學院 , 南京 200016(2江蘇省計量科學研究院 , 南京 210007 摘要 :提出了一種應用于 E M I 噪聲源內(nèi)阻抗測量的改進雙電流探頭法 . 首先 , 分別利用 2個標

2、準 電阻代替被測噪聲源內(nèi)阻抗接入測試回路 , 或?qū)⒈粶y噪聲源內(nèi)阻抗短路 , 依次測量上述 3種測試 回路中注入探頭輸入電壓和檢測探頭輸出電壓 , 得到 3個測試回路方程 , 并由此得到測試回路阻 抗的幅值與相位 . 然后 , 將 E M I 噪聲源接入測試回路 , 重復上述測試步驟 , 測 E M I 噪聲源內(nèi)阻抗的幅值與相位 , 對 A C 2D C 開 關(guān)電源噪聲源內(nèi)阻抗的分析結(jié)果表明 , 抗分別呈減小和增大的趨勢 .關(guān)鍵詞 :; 中圖分類號 :A 文章編號 :1001-0505(2009 增刊 (II 20087205E M I noise source i mpedance mea s

3、ure ment based on modi fi eddual 2current 2probe approachZhao B o 1, 2 Feng Zh im ing 2 Zhao M in 1 Shu i L im in 2 Yao M in1(1College of A utom ation Engineering, N anjing U niversity of A eronautics and A stronautics, N anjing 200016, China (2J iangsu Institute of M etrology, N anjing 210007, Chin

4、a Abstract:A m od ified dual 2current 2p robe app roach app lied to the electrom agnetic interference (E M I noise source i m pedance m easurem ent is p roposed . First, the E M I sou rce i m pedance under test is rep laced by t w o standard resistances or short 2circuited . The input vo ltages of t

5、he injection p robe and the output voltages of the test p robe in the three circuits are m easu red, and three circuit equations are ob tained . The am p litudes and phases of the equivalent i m p edances can be calcu lated by solving the th ree equations . Then, the E M I noise source is connected

6、to the test loop. The am p litudes and p hases of the E M I no ise source i m pedances are acqu ired by the above step s . The experi m ental results are close to those by a vector net w ork analyzer . M o reover, the analysis results of the no ise source i m pedance of an A C 2D C s w itch m ode po

7、 w er supp ly sho w that w ith the increase of the frequency, the co mm on m ode i m pedance decreases w hile the different m ode i m pedance increases .Key words:electrom agnetic com patib ility; electrom agnetic in terference; noise source i m pedance;dual 2current 2p robe app roach 收稿日期 :20092112

8、20. 作者簡介 :趙波 (1979 , 男 , 博士生 ; 趙敏 (聯(lián)系人 , 男 , 博士 , 教授 , 博士生導師 , zhaom in nuaa . edu . cn . 基金項目 :國家質(zhì)檢總局科技計劃資助項目 (2008Q K 104 .在電 磁 兼 容 (electrom agnetic com patibility, E M C 標 準 規(guī) 定 的 傳 導 電 磁 干 擾 (electrom agnetic in terference, E M I 測量設(shè)置中 , 被測設(shè)備 (equipm en t under test, EU T 的電磁噪聲由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (line i

9、 m p edance stabilization net w o rk, L ISN 測得 , 其阻抗特性被嚴格規(guī)范 1, 測量結(jié)果只含有 930M H z 的噪聲射頻電壓參數(shù) , 不含噪聲源等效噪聲源內(nèi)阻抗參數(shù) . 事實上 , EU T 噪聲源內(nèi)阻抗特性千變?nèi)f化 , 設(shè) 計出與噪聲源內(nèi)阻抗特性相匹配的濾波器方能有效濾除電路中的傳導 E M I 噪聲 . 因此 , 對 EU T 中傳導 E M I 電磁噪聲源內(nèi)阻抗進行測量是非常重要的 2-3.目前 , 測量噪聲源內(nèi)阻抗有多種方法 . 文獻 4-5提出了一種插入損耗法 , 通過在電路中串聯(lián)共模 (comm on m ode, CM 扼流圈和并

10、聯(lián)差模 (differential m ode, DM 電容 , 減小電路中 CM 噪聲與 DM 噪聲 , 并通過測量噪聲的變化以得到噪聲等效噪聲源內(nèi)阻抗 . 然而 , 這種方法沒有涉及噪聲源的測量方法 , 且計 算阻抗相 位 的 步 驟 過 于 復 雜 , 因 而 實 用 性 較 差 . 文 獻 6提 出 了 一 種 測 量 脈 寬 調(diào) 制 (pulse w idth m odulation, P WM 驅(qū)動電機系統(tǒng)戴維南等效干擾源和阻抗的方法 , 該方法可較準確地測量 P WM 驅(qū)動電 機的噪聲源內(nèi)阻抗 , 缺點是實施困難 , 需要專門的檢測工具提取噪聲電壓源信號 , 且應用范圍不廣 .

11、文獻7-8采用散射參數(shù)對噪聲源內(nèi)阻抗進行測量 , 該方法不僅可以較精確地測量噪聲源內(nèi)阻抗的幅值 , 還 能測量其相位信息 , 但對于測試設(shè)備要求較高 . 文獻 9-10采用雙電流探頭法對于噪聲源內(nèi)阻抗進行測 試 , 該方法實用性較強 , 應用范圍較廣 , 但是測量中的線纜損耗較大 , 精度有待提高 .1 噪聲源內(nèi)阻抗測量的理論分析本文以開關(guān)電源 (sw itched 2m ode p ow er supp ly, SM PS 為例 , 量進行理論分析 . 根據(jù)傳播路徑的不同 , SM PS DM 干擾 . CM 干 擾是指電源的相線與中線所構(gòu)成回路中的干擾信號 , 路中的干擾信號 .1. 1

12、測試原理該方法采用 29. 其中 , 一個電流探頭作為注入探頭 , 另一個作為接收探 頭 . 通過測試 , SM PS 在 E M C 標準規(guī)定范圍內(nèi)各頻率點的 CM 阻抗和 DM 阻抗 , 具有較好的測量精度 . 如圖 1所示 , 雙電流探頭法測試的實驗裝置包括了 1個注入式電流探頭 、 1個接收式電流探頭 、 1臺信 號發(fā)生器和 1臺頻譜分析儀 . 要測量的未知阻抗以 bb 端的阻抗 Z x 來表示 , 2個電流探頭 、 耦合電容以及 未知阻抗組成了一條回路 . 當信號發(fā)生器輸出的正弦波信號 V w 注入到注入式電流探頭時 , 電路中產(chǎn)生電 流 I w , 通過頻譜分析儀可以檢測到 I w

13、 對接收式電流探頭的作用結(jié)果 . 通過信號發(fā)生器中不同頻率點的輸 出 , 可以在接收式電流探頭端獲取不同頻率點的電流值 .圖 2(a 給出了 aa 端 注入式電流探頭的等效電路圖 . 圖中 , V s ig 和 Z sig 分別表示信號發(fā)生器的輸出電壓和噪聲源內(nèi)阻抗 , I p 表示注入式電流探頭的輸入電流 , L p , L w 和 M 分別表示變壓器原邊的自感 、 副邊的自 感和互感 .圖 1 雙電流探頭法的原理圖 圖 2 雙電流探頭法的等效電路圖1. 2 理論分析若耦合回路中的電流為 I w , 則V sig =(Z sig +j wL p I p -j wM I w(1 V M =-j

14、 wM I p +j wL w I w (2由式 (1 和 (2 可得 V w =V M 1-Z M 1I w(3 式中 , Z M 1=-j wL w +(wM 2/Z sig +j wL p ,V M 1=-j wM /(Z s ig +j wL p Vsig .式 (3 表明 , aa 端 的注入式電流探頭可以用等效的電壓源 V M 1和電壓源噪聲源內(nèi)阻抗 Z M 1代替 , 如圖 2(b 所示 . Z M 2表示檢測式電流探頭導致的互感 , 則V M 1=(Z M 1+Z M 2+Z C +Z x I w (488 東南大學學報 (自然科學版 第 39卷 令 Z in =Z M 1+Z

15、 M 2+Z C , 則式 (4 可簡化為V M 1=(Z in +Z x I w (5由式 (5 可知 , 未知阻抗 Z x 可表示為Z x V M 1I w -Z in (6檢測式電流探頭中通過的電流為I w V p 2Z T 2(7式中 , V p 2表示檢測式電流探頭測得的電壓 ; Z T 2表示校準此探頭后的轉(zhuǎn)移阻抗 .將 V M 1=-j wM /(Z sig +j wL p Vsig 和式 (7 代入式 (6 中可得Z x =-j wMV sig Z s ig +j wL p Z T 2V p 2-Z in (8 令 K =-j wM Z T 2/(Z sig +j wL p ,

16、 則式 (8 可簡化為Z x 2-in ( 9, K V sig 是一個固定系數(shù) . 如果有一已知阻值 的高精度電阻 R s td in |, Z x , 則固定系數(shù) K V sig 可通過下式得到 :K V s ig R std V p 2Z x =R std (10圖 3 注入信號經(jīng)線纜損耗后的頻率 2電 壓曲線短路阻抗 Z in 的測試可按文獻 9的方法 , 即將 Z x 短路測得 . 然而 , 測量中由于需要探頭耦合 , 其導線通常選擇普通導線 , 測試線纜損耗不容忽視 , 該線損與導線長度和測試信號頻率有關(guān) . 如圖 3所示 , 信號源在不同頻率下輸出幅值相同的信號時 , 過長的測量

17、導線將導致短路電壓下降過快 , 該誤差對于噪聲源內(nèi)阻抗測量影響較大 . 本文提出采用一個微小電阻和短路阻抗進行串聯(lián)的方法以提高測量精度 . 此時 , 短路阻抗可表示為Z in =Z in +Z sm a ll (11 將一個微小電阻接入測試回路 , 可得Z in K V s ig V p 2Z x =Z s m a ll -Z sm a ll R std V p 2Z x =R std V p 2Z x =Z s m all -Z sm a ll (12 在準確測量 Z in 的基礎(chǔ) , 對噪聲源內(nèi)阻抗進行測量 , 將 Z x 處接上待測設(shè)備 , 則噪聲源內(nèi)阻抗為Z x -Z sm a ll

18、=K V V p 2Z x =Z SM PS -Z in =R std V p 2Z =R V p 2Z x =Z SM PS -R s td V p 2Z =R V p 2Z x =Z s m all(13 由式 (13 可得待測設(shè)備的噪聲源內(nèi)阻抗與微小電阻阻抗的矢量差模 , 從而得到不同頻率時的 Z x . 2 實驗結(jié)果及分析2. 1 實驗步驟采用已知阻抗的電阻對該方法的可行性進行實驗驗證 . 實驗中 R std =500, 選取 10的電阻作為用 來減小線損的微小電阻 , 選擇泰克公司的 C T 1和 C T 2作為雙電流探頭 , 將其接入電路進行測量 . 由于電壓 信號太小 , 要將所

19、測得的信號通過信號放大器進行電壓放大 , 然后將放大后的信號接入頻譜儀 , 其電路連接如圖 4(a 所示 11. 將測得的阻抗值與采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (vector net w o rk analyzer, VNA 的散射參數(shù)法 7-8的測量結(jié)果以及采用雙電流單電阻方法的測量結(jié)果進行比較 .98增刊 (II 趙波 , 等 :基于改進雙電流探頭法的 E M I 噪聲源內(nèi)阻抗測量 分別選取阻值為阻值 200的電阻 、 容值為 5600pF 的電容以及電感為 1. 5H 的電感進行實驗 , 以 驗證在噪聲源內(nèi)阻抗呈阻性 、 容性和感性情況下該方法的正確性 . 實驗結(jié)果如圖 4(b (d 所示 .圖

20、4 改進雙探頭法的實驗裝置及結(jié)果由圖可以看出 , 采用改進雙探頭法測得的阻抗值與 VNA 測得的結(jié)果相近 . 特別地 , 隨著頻率的上升 , 由于雙電流探頭法存在線路損耗 , 使得測量值與實際值間的誤差較大 , 利用改進雙探頭法測量得到的結(jié)果 則較為準確 . 該方法可以更好地解決短路線損問題 , 使整個頻段內(nèi)的測量結(jié)果更為準確 .2. 2 實驗臺的建立由于所要測量的 SM PS 工作于高電壓狀態(tài)下 , 而電流探頭工作于低壓范圍內(nèi) , 因此需要建立相應的實 驗裝置使該方法可以測量 SM PS 噪聲源內(nèi)阻抗 .圖 5(a 和 (b 分別為 SM PS 中 CM 噪聲源內(nèi)阻抗和 DM 噪聲源內(nèi)阻抗的

21、測量原理圖 . 測試 CM 噪聲 源內(nèi)阻抗時 , 在 L ISN 與 SM PS 之間加 1個電感為 16m H 的 C oilcraft CM T 321622型共模扼流圈 ; 測試 DM 噪聲源內(nèi)阻抗時 , 在 L I SN 與 SM PS 之間加 2個電感為 350H 的 Z ion V SM 300型差模線圈 .圖 5 噪聲源內(nèi)阻抗的測量原理圖在圖 5(a 中 , 2個 1F 的電容分別接在火線與地線 、 中線與地線之間 . 為了使電路的 Z i n 可進行重復測量并盡量保持恒定 , 這 2個電容必須固定在印刷電路板 (PCB 上 , 同時注入式和接收式電流探頭也必須 固定在電路板上

22、. PCB 與測試設(shè)備間的連線必須盡量短 , 以減小導線布局引起的寄生效應 . 這種測試方法 的優(yōu)點在于 , 一旦電路校準后 , 測得的 Z in 不僅適用于共模噪聲源內(nèi)阻抗測量 , 同樣也適用于差模噪聲源內(nèi) 阻抗測量 , 從而大大提高測量速度 .2. 3 噪聲源內(nèi)阻抗的測量根據(jù)圖 5建立實驗裝置 , 測量某 SM PS 噪聲源內(nèi)阻抗 , 結(jié)果如圖 6所示 . 可以看出 , 噪聲源的 CM 噪聲09 東南大學學報 (自然科學版 第 39卷 源內(nèi)阻抗隨著頻率上升而減小 , 呈容性 , 經(jīng)擬合可知 CM 噪聲源內(nèi)阻抗由 1個 1. 2的電阻和 1個 450pF 的電容串聯(lián)構(gòu)成 ; DM 噪聲源內(nèi)阻

23、抗隨著頻率上升而增大 , 呈感性 , 經(jīng)擬合可知 DM 噪聲源內(nèi)阻抗由 1個 15的電阻和 1個 1. 8H 的電感串聯(lián)構(gòu)成 . 獲知 SM PS 的 CM /DM噪聲源內(nèi)阻抗后 , 即可進行針對性的 濾波器設(shè)計 .圖 6 3 結(jié)語測量 E M I , 由于測量的是射頻信號 , 測量電路中的測試線纜損耗較大 , 測量結(jié)果誤差 也較大 . 本文對于采用短路測量方式的雙電流探頭法測量模型進行了改進 , 通過采用雙阻抗法來減小其線 損 . 實驗結(jié)果表明 , 這種改進的方法可以更加準確地測量噪聲源內(nèi)阻抗 , 進而更好地指導 E M I 濾波器的設(shè)計 .參考文獻 (References1Internat

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