發(fā)展中的傳導(dǎo)發(fā)射測量方法

1、北京電子學(xué)會(huì)可靠性與質(zhì)量管理委員會(huì)、北京電子電器協(xié)會(huì)電磁兼容分會(huì)2009年論文集發(fā)展中的傳導(dǎo)發(fā)射測量方法介紹一種雙電流探頭測試法北京理工大學(xué) 區(qū)健昌摘要: 簡要介紹目前國軍標(biāo)中采用的傳導(dǎo)發(fā)射測量方法及其歷史的演變過程。為了適應(yīng)科技發(fā)展的需要,分離傳導(dǎo)發(fā)射中的共模和差模分量成為當(dāng)前傳導(dǎo)發(fā)射測量中的熱點(diǎn)問題。本文在簡要介紹各種共差模分離方案的基礎(chǔ)上,著重介紹一種有發(fā)展前途的雙電流探頭測試法。關(guān)鍵詞: 傳導(dǎo)發(fā)射測量; 共模和差模分量; 雙電流探頭測試法。1.傳導(dǎo)干擾測試規(guī)范的演變和目前存在的問題對(duì)于待測設(shè)備(EUT)所產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)噪聲，國際上通常采用檢測其反饋至電源的EMI電流或電壓值來

2、評(píng)定該設(shè)備是否符合規(guī)范要求。這個(gè)檢測就是傳導(dǎo)干擾測試。或稱電源線傳導(dǎo)發(fā)射測量。電源線傳導(dǎo)發(fā)射測量方法在國際上經(jīng)歷了漫長的歷史演變過程。但也可以簡單地歸納為,由電流卡鉗改變?yōu)長ISN測量EMI電壓的歷史演變過程。見圖1(a)(b) 。 (a)電流卡鉗法 (b) LISN測量法 圖1 以前和目前的傳導(dǎo)干擾規(guī)范測試方法眾所周知，供給待測設(shè)備的電網(wǎng)電源是隨時(shí)不斷調(diào)整的，換句話說，電網(wǎng)的供電電壓及其電網(wǎng)阻抗都隨時(shí)不斷變化。要提高EMI測量精度,惟有提高測試環(huán)境。所以,從電流卡鉗改用LISN測量EMI電壓的原因，就是要提高EMI的測量精度。電源阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)的發(fā)明，解決了電網(wǎng)電源和待測設(shè)備之間的

3、隔離問題、不僅如此,還在測試的頻域內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)50穩(wěn)定阻抗的測試環(huán)境,而這個(gè)50阻抗正是測試儀器的阻抗。換句話說，創(chuàng)造了一個(gè)匹配的測試環(huán)境，當(dāng)然也就大大提高EMI的測量精度。但既便如此，也只能測試待測設(shè)備的EMI總量。隨著科技日新月異的發(fā)展，對(duì)電磁兼容（EMC）的要求不斷提高，如何在LISN的基礎(chǔ)上，分別測量共模和差模分量的問題已經(jīng)成為電磁兼容性設(shè)計(jì)中的技術(shù)要求特別是對(duì)于EMI濾波器的設(shè)計(jì),因此,成為當(dāng)前國際上的熱點(diǎn)問題。2. 共模和差模分量分離網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)歷史關(guān)于這方面的論文逐年遞增，但可簡單地歸納為二種方法:分離網(wǎng)絡(luò)法和雙電流探頭法。(1)分離網(wǎng)絡(luò)法分離網(wǎng)絡(luò)法是國外過去20年來的研究重點(diǎn)，因

4、此有各種各樣的分離網(wǎng)絡(luò)法，分離網(wǎng)絡(luò)法的理論依據(jù)和計(jì)算方法可用圖2分別表示:圖2分離網(wǎng)絡(luò)法的理論依據(jù)和計(jì)算方法可見,將LISN的“上”輸出端干擾電流和“下”輸出端干擾電流相加,便可獲得共模干擾電流；如將LISN的“上”輸出端干擾電流和“下”輸出端干擾電流相減,便可獲得2倍的差模干擾電流。具有代表性的分離網(wǎng)絡(luò)法有:1)(美)Paul1988年提出的分離網(wǎng)絡(luò)該分離網(wǎng)絡(luò)是靠圖右的機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)換來選擇共?；虿钅５妮敵瞿Ｊ?實(shí)際上,會(huì)造成分離網(wǎng)絡(luò)的不平衡性,在高頻時(shí)這種不平衡性,會(huì)逐步失去共模或差模的識(shí)別功能。2)(新加坡)See1999年提出的分離網(wǎng)絡(luò)取消了轉(zhuǎn)換機(jī)械開關(guān),采用兩個(gè)相連的寬帶射頻變壓器、其副

5、方繞組有中心抽頭，圖中所示,該中心抽頭的輸出端輸給EMI接收機(jī)。3)(法)Mardiguaian1999年提出的分離網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)簡單地采用一個(gè)寬帶射頻變壓器完成共模和差模的分離。見圖54)(美)Guo1996年提出的功率變換器方案 (a)2倍共模 (b) 2倍差模圖6 Guo分離網(wǎng)絡(luò)它與以上各方案不同之處是,不采用射頻變壓器處理共?；虿钅７至?而是采用00和1800功率變換器來處理共?；虿钅７至? 00變換器將A、B兩路噪聲并聯(lián)即進(jìn)行相加獲得2倍的共模分量；1800功率變換器將A、B兩路噪聲并聯(lián)即進(jìn)行相減獲得2倍的差模分量。但00和1800功率變換器的價(jià)格昂貴。所謂功率變換器和差模測試時(shí),采用的0

6、01800分相器是同樣原理的,見圖7。圖7 國際規(guī)范的差模插入損耗測量方法它和以上采用的射頻變壓器所構(gòu)成的分離網(wǎng)絡(luò)一樣,不是受到在高頻運(yùn)用時(shí)的分布參數(shù)影響而頻域受到限制外;就是由于制造工藝的復(fù)雜、困難,而價(jià)格昂貴,難以推廣應(yīng)用。特別是目前要求測試的頻域越來越寬(越高)的情況下。所以,目前市場上,成熟的分離網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品尚鮮為人知。以上各種方法,也缺少有關(guān)測試精度和可應(yīng)用的頻域介紹。(2)雙電流探頭法雙電流探頭法是2004年(新加坡)Kye Yak See,Junhong Deng作為測量待測設(shè)備的輸入阻抗提出來的，但電流雙探頭法在測試待測設(shè)備的輸入阻抗的同時(shí),也解決了共模和差模電壓的分別測量問題。1

7、)測量原理:由注入探頭、接收探頭和耦合電容器構(gòu)成的測量高頻電路，如圖8所示。圖8雙電流探頭測試原理設(shè)為端待測阻抗、C為耦合電容器，RC和LC為耦合電容器C的等效串聯(lián)電阻(ESR)和串聯(lián)電感(ESL)。通過注入探頭將信號(hào)源的連續(xù)波信號(hào)耦合到測試電路,并通過接收探頭將耦合電路待測電流的幅值傳輸給頻譜分析儀,若將信號(hào)源輸出電平調(diào)整到合適的電平,從注入探頭耦入的每一頻率信號(hào)都能被接收探頭傳輸給頻譜分析儀,并被檢測到。信號(hào)源注入探頭的局部等效電路可用圖9(a) 、(b)表示: (a)注入探頭等效電路 (b)雙探頭等效電路圖9注入探頭和雙探頭的等效電路 設(shè)ZS為信號(hào)源內(nèi)阻、VS為信號(hào)源輸出電壓、IP為信號(hào)

8、源電流、LP、LW和M分別為注入探頭原、副方的自感和互感。設(shè)IW為副方耦合電流。則: (1) (2)從(1)(2)式抵消得: (3)式中: 式(3)提示,在端的注入探頭電路可用等效電壓源及其源阻抗替代,如圖9(b)所示,圖中: 令: 則: (4)其中:代表測試裝置的固有阻抗。式(4)提示,在端的等效電路可用等效電壓源及其源阻抗替代,因此: (5)而可用接收探頭測得為: 式中:為接收探頭測得的電壓、為接收探頭校正后的轉(zhuǎn)移(傳輸)阻抗。進(jìn)一步將式(5)變換為: 令: 則式(5)變換為: (6)如: VS保持不變,則在所給頻率范圍內(nèi)可視為常數(shù)。哪獲得的問題就轉(zhuǎn)變?yōu)?、值的確定和與之間的數(shù)量級(jí)關(guān)系上。

9、為確定值,可將圖9(b)輸出端短路,即。 為確定值,可令,而,所以式中:為已知精密電阻。則： (7) (8)或: (9) (10)在保持不變和是常數(shù)條件下,若，就符合條件。 2)測試裝置及其校驗(yàn):具體開關(guān)電源無濾波器的共差模噪聲阻抗測試實(shí)驗(yàn)裝置,如圖10(a)、(b)所示。 (a)共模測量裝置 (b)差模測量裝置圖10 雙電流探頭法的測量裝置原理圖兩個(gè)1電容器分別將火線和中線連接到地并與注入和接收探頭一齊構(gòu)成RF耦合電路。為確保RF耦合電路的可重復(fù)性，兩個(gè)1電容器和兩個(gè)探頭的連接端口都要固定安裝在PCB版上，從PCB板連接到測試設(shè)備的線纜應(yīng)盡可能地短,以減小由于導(dǎo)線不同位置所造成的寄生效應(yīng)。裝

10、置的注入和接收探頭,選用泰克公司的CT-1和CT-2,約有700MHz帶寬足夠測試所需帶寬,裝置中的RF共模隔離電感為16mH、RF差模隔離電感為2×350,額定工作電流分別為2A和3A。為獲得測試裝置的系數(shù),將精密電阻器=600±1%,引入耦合電路并由接收探頭測得。根據(jù)(7)式計(jì)算獲得系數(shù)。之后被短路電路替代,再由接收探頭測得,根據(jù)(8)式計(jì)算獲得。最后推導(dǎo)出,可模擬為,1.12電阻、240電感器和串聯(lián)的2.2電容器。同時(shí)也驗(yàn)證了的條件成立。3) 檢驗(yàn)測試裝置的測試精度 為了檢驗(yàn)測試裝置的測試精度,將測試裝置測試5k和5的精度和HP4191A阻抗分析儀的測試結(jié)果相比較,比

11、較結(jié)果分別見圖11(a) 、(b)。由于HP4191A的最低測試頻率為1MHz,所以僅比較1MHz30MHz頻段。由圖11(a) 、(b)看到,對(duì)比結(jié)果相當(dāng)接近,如以HP4191A結(jié)果為參考,哪測試裝置,測試5k的最大測試誤差為4%、測試5的最大測試誤差為7%。(a)5K:虛線HP4191A、實(shí)線雙探頭 (b)5:虛線HP4191A、實(shí)線雙探頭圖11 比較兩種測試5K和5隨頻率變化的結(jié)果4)共差模噪聲源阻抗的測試和校正:為避免測試噪聲源阻抗時(shí),受到的影響,在LISN與SMPS之間,分別插入16mH共模扼流圈和兩個(gè)350H差模扼流圈,進(jìn)行共模和差模的隔離。設(shè)RF耦合電路實(shí)際測試的阻抗是,而和是并

12、聯(lián)的,若,則。這里:是所選扼流圈所提供的RF隔離阻抗、是實(shí)際要測的噪聲源阻抗。 現(xiàn)在選擇一臺(tái)22W、230V、0.5A開關(guān)電源做為測試樣機(jī)。CD和DM扼流圈分別選擇2A和3A的原因,是不希望扼流圈的磁芯,在開關(guān)電源正常工作時(shí)發(fā)生飽和。 測試前,首先要在不連接SMPS的條件下,測試AC電網(wǎng)和耦合電路的,然后再將SMPS接回測試AC電網(wǎng)和耦合電路。對(duì)于CM測試裝置,圖12(a)給出,在頻率10kHz30MHz測試的、和曲線。在10kHz40kHz段,意味,也說明CM扼流圈沒有飽和并提供很好的RF隔離。由于比小的多,所以。在8MHz左右觀察到有一個(gè)串聯(lián)諧振,這時(shí)的容抗等于的感抗?；谠?0kHz8M

13、Hz之間的趨勢,相當(dāng)明顯是個(gè)950pF電容器。對(duì)于DM測試裝置,圖12(b)給出,在頻率10kHz30MHz的DM測試結(jié)果。對(duì)所有頻率范圍 ,可見DM扼流圈在此頻率范圍提供很好的RF隔離。由于與阻抗可比擬,的影響不能忽略,DM噪聲源阻抗必須由確定?；陔S頻率的幅值變化趨勢,能模擬為串聯(lián)的2.29電阻器、320nH電感器和2.2F電容器。由于能模擬為串聯(lián)的1.12電阻器、240電感器和2.2電容器。所以可從獲得, 分別為1.17和80H串聯(lián)的電阻器和電感器。(a)共模噪聲源阻抗測試曲線 (b)差模噪聲源阻抗測試曲線粗實(shí)線Zin、細(xì)實(shí)線ZT、虛線ZL 粗實(shí)線Zin、虛線ZT、點(diǎn)劃線ZL圖12共差模

14、噪聲源阻抗隨頻率變化的測試曲線4.共模、差模噪聲的分離網(wǎng)絡(luò)在測試SPMS噪聲源阻抗的過程中,接收探頭測得的電壓隨頻率的變化值,實(shí)際上就是我們所期望獲得的共模和差模分量。因此雙電流探頭測量裝置既是開關(guān)電源共、差模噪聲源阻抗測試裝置同時(shí)也是開關(guān)電源共、差模噪聲的分離網(wǎng)絡(luò)。這理要特別提出的是,待測設(shè)備的輸入阻抗是設(shè)計(jì)EMI電源濾波器的重要參數(shù)之一。如果設(shè)計(jì)EMI電源濾波器時(shí)不考慮被接設(shè)備的輸入阻抗,就有可能發(fā)生諧振后果,這時(shí)濾波器不但不會(huì)抑制電磁干擾,反而將電磁干擾放大;換句話說, EMI電源濾波器和被接設(shè)備的輸入阻抗之間,存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的關(guān)系,即EMI電源濾波器的輸出阻抗曲線要始終遠(yuǎn)低于被接測設(shè)備

15、的輸入阻抗曲線;否則EMI電源濾波器的輸出阻抗將會(huì)影響被接設(shè)備的穩(wěn)定性。雙電流探頭測試法的最大優(yōu)點(diǎn)是,理論依據(jù)比較完善,測量裝置中的RF耦合電路具有校正功能,耦合電路的阻抗能被測試和計(jì)算(當(dāng)然是依靠測試裝置的系統(tǒng)軟件完成),在消除耦合電路引入的誤差后,測試精度可達(dá)到7%左右。有關(guān)文獻(xiàn)的測試結(jié)果表明,雙電流探頭法實(shí)際測試的頻率范圍為10kHz30MHz,符合最低的規(guī)范要求。如繼續(xù)要提高測試頻率的范圍,就需要不斷減小測試裝置的RF耦合電路的寄生參數(shù)。這在目前的技術(shù)條件下是有可能實(shí)現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)1.GJB152A-1997(CE101;CE102)2.Kye Yak See,Junhong Deng

16、.“Measurement of Noise Source Impedance of SMPS Using a Two Probes Approach.IEEE Transaction on Power Electronics,VOL.19,NO.3,MAY 20043.C.R.Paul,K.B.Hardin.Diagnosis and reduction of conducted noise emissionJ.IEEE Trans:on Electromagnetic Compatibility,1998,33(4):553-560.4.K.Y.See.Network for conducted EMI DiagnosisJ. Electronic Letter,1999,35(17):1446-1447.5.M.Mardiguaian,J.Rainbourg.An alternativ