电磁干扰(EMI)噪声诊断技术(1)

第三章电磁干扰（EMI）噪声诊断技术3．1传导性电磁干扰噪声诊断技术3．2传导性EMI噪声智能处理系统3．3电磁干扰EMI滤波技术3．1传导性电磁干扰噪声诊断技术•CM与DM噪声定义：•电源线电磁干扰分为两类，共模干扰信号与差模干扰信号(如图3-1所示)。其中把相线(L)与地(E)、中线（N)与地(E)间存在的干扰信号称之为共模(CommonMode)干扰信号，即图3-1中的电压UNE和ULE。对L,N线而言，共模干扰信号可视为在L线和N线上传输的电位相等，相位相同的噪音信号。把L与N之间存在的干扰信号称作差模(DifferentialMode)干扰信号，即图3-1中的电压ULN，也可把它视为在L和N线上有180o相位差的共模干扰信号。对任何电源系统内的传导干扰信号，都可用共模和差模干扰信号来表示。并且可把L-E和N-E上的共模干扰信号，L-N上的差模干扰信号看作独立的干扰源，把L-E,N-E和L-N看作独立网络端口，以便分析和处理干扰信号和有关的滤波网络。负载ICIDULNUNEULELNE图3-1电源线上的共模与差模干扰信号•3．1．1传导性电磁干扰噪声诊断原理•一、传导性电磁干扰（EMI）噪声的模态分离方法•目前国际上规定的传导性电磁干扰测量设备是线阻抗稳定网络LISN（lineimpedancestabilizationnetwork，简称LISN），原理如图3-2，其核心是通过电感、电容和标准50阻抗构成的测试网络，作为获得被测设备EUT所产生的传导干扰信号的接受器。•线性阻抗稳定网络LISN（lineimpedancestabilizationnetwork）是用来测量电子器件产生的传导性电磁干扰的标准网络，该网络可以有效屏蔽来自外部电网的高频干扰或阻止负载产生的高频干扰通过电源插座传入外部电网，同时又不影响负载正常工作下所提供的工频电流（powerlinefrequency,如国内50Hz电流），所以理论上可以有效获得噪声源产生的传导干扰信号。•被测设备产生的干扰电流包括两种干扰模态：差摸电流从火线流出到零线，共摸电流经过火线和零线到地线。因此，火线和零线中的差模信号的幅值相同，相位相反，而共模信号是幅值和相位都相同。在总的传导性电磁干扰信号中，共模和差模是我们设计电力滤波器的基本依据，他们来自不同的噪音源，必须被分别抑制，然而线性阻抗稳定网络只能测量电源线上总的传导性电磁干扰，并不能测出传导性电磁干扰中的共模和差模成分。所以传统的LISN已不能满足要求。•在图3-2中，噪声源即或被测设备EUT为一个典型单相开关电源（SMPS），LISN中的50表示测试仪器如频谱分析仪的标准阻抗，所有噪声分量由50电阻上得到。另外“”L”、“N”、“E”分别表示相线、中线和地线，ICM和IDM则表示共模电流和差模电流，可见共模电流是由“线”对“地”产生的共模电位引起，其幅值相同且方向相同；而差模电流是由“线”与“线”之间的电位差引起，其幅值相同但方向相反。L1L150μH50μHC21μFC21μFToCommercialPowersystemLISNEarthLiveNeutral50Ω50ΩR11kΩR11kΩC10.1μF0.1μFC1IDM(ω)IcM(ω)IcM(ω)IDM(ω)+VN-G(ω)-+VL-G(ω)-LiveNeutralEarthEUT(SMPS)图3-2用于传导性电磁干扰测量设备LISN原理在图3-2中，测量电阻上的噪声电压分别是)()()]()([50)(DMCMDMCMGLVVIIV（3-1）)()()]()([50)(DMCMDMCMGNVVIIV（3-2）由（3-1）（3-2）式发现，LISN所测量到的实际上是共模（CM）和差模（DM）信号的混合信号，而无法直接检测CM和DM信号的具体分量。由于CM和DM模态信号影响不同滤波器的设计方法，而DM/CM分量又是设计功率线功率滤波器(power-linefilter)抑制电磁干扰的必要参数，显然采用常规LISN无法满足这种要求，必须考虑能将（3-1）、（3-2）中模态信号分离的新方法。•二、传导性电磁干扰（EMI）噪声的模态分离方法分类•1、基于器件的模态硬分离方法•传导性EMI噪声模态信号的硬分离方法目前主要采用射频变压器和0度或180度combiner两种方法。50Ω50Ω50Ω+VPHASE-VCM+VDM-VNEUTRAL+VCM-VDM82Ω82Ω1：11：1VCM+VDM+--+2VCMor2VDM±(VCM-VDM)图3-3Paul分离网络①美国Paul首先提出了一种分离网络，即采用一个简单的、带中心抽头且变比为1:1的射频变压器作为分离网络的核心。加/减功能是通过一个机械开关使其中一个变压器二次边反相。为了和LISN的50Ω阻抗相匹配，输入之间接入82Ω的电阻。如图3-3所示。要注意的是，电路的绝对精确并不重要，这里感兴趣的是共模和差模的相对电压值。但该网络只能测量单模态信号如CM信号，此外Paul网络因引入机械式开关（switch）来选择CM/DM的模态输出信号，从而带来网络的不平衡性，并最终影响网络的高频CM/DM识别性能。将开关打到上面时，为共模抑制网络，差模输出端输出为：ODCMDMCMDMDMV=V+VVV=2V将开关打到下面时，为差模抑制网络，共模输出端输出为：OCCMDMCMDMCMV=V+VVV=2V其中，VOC为共模分离网络的输出；VOD为差模分离网络的输出。•②此后新加坡的See又设计出另一种识别网络，既可以同时提供具有CM/DM抑制能力的信号分离电路，同时在电路中也避免了采用机械开关所带来的不利影响。See分离网络如图3-4所示，两个宽带射频变压器相连且副边线圈带中心抽头，两个输出端与EMI干扰接收机输入端相连，分别满足“相线”和“中线”上的混合模态信号的矢量“相加”、“相减”功能，于是共模和差模传导发射信号彼此分离并可以直接在EMI接收机上测量得到。此处用两个变比为2:1，且二次线圈有中间抽头的变压器来实现这种加减功能，它不需使用机械开关。为了使该网络的输入阻抗Rin与LISN网络50Ω的阻抗相匹配，Rin应当为50Ω，所以R1与R2的值应当分别为100Ω。•如图所示，VCM=(VL+VN)/4，VDM=(VL-VN)/4；与上面所讲的VCM=(VL+VN)/2，VDM=(VL-VN)/2差了0.5倍。但是考虑到20lg0.5很小，这个影响可以忽略。RinRinR2R12:12:1VL-G(ω)1/2VL-G(ω)VN-G(ω)1/2VL-G(ω)1/2VN-G(ω)VDM(ω)VCM(ω)50Ω50ΩLISNDiscriminationnetworkEMIreceiverinput图3-4See分离网络•③更进一步，法国Mardiguaian给出了一种更简单的分离网络如图3-5所示，仅使用一个变比为2:1的带中间抽头的变压器就实现了加减的功能。图3-5Mardiguian分离网络DMCMDMCMDMVV+VV-V12（3-3）CMCMDMCMDMVV+VV-V12（3-4）Mardiguian的分离网络在理论上，变压器副边耦合得到的电压为差模电压VDM=(VL-VN)/2，但由于原副边分布电容C12的存在，在高频时，变压器不能全部隔离掉共模噪声，部分共模噪声信号也传递到差模输出端，使得VDM≠(VL-VN)/2严重影响共模/差模抑制比CMRR/DMRR。这些网络由于都采用了变压器作为主要的分离器件，因此在高频条件下因杂散效应会产生较明显的模态信号抑制性能(moderejectionability)衰退的现象，一般有10-20dB的衰减，有的甚至更加严重。该场合要求其带宽满足传导EMI的频率范围（10K-30MHz）。但由于寄生参数的影响，在高频段网络特性受到严重影响，与理想结果存在很大差距。因此，如何提高器件性能以及改进网络结构减少分布参数的影响仍然是一个值得研究的方向。分离网络性能有待进一步提高。•④与变压器方案不同的是，其后美国Guo又提出了采用0度/180度combiner取代变压器作分离网络如图3-6所示，分别用0度和180度的combiner实现CM和DM的模态分离和输出。功率混合器(powercombiner)在物理结构上同功率分相器(powersplitter)一样但逆向使用，功率分相器通常作为射频器件，可以将输入信号分解成两个幅度相等、相位确定的信号输出，当反向使用时就变成了一个功率混合器。虽然功率混合器在制造过程中类似一个宽带变压器，但其可以在10K-30MHz范围内维持更高的精度。此外，功率混合器还可以在测量中提供恰当的输入阻抗以实现阻抗匹配，减小反射损耗。尽管采用功率混合器可以使干扰模态信号的分离性能得到很大改善，尤其在高频条件下更是如此，但其制造成本却增加不少，功率混合器通常价格昂贵，所以影响其推广使用。•由公式：•VCM=(VPhase+VNeutral)(3-5)•VDM=(VPhase-VNeutral)(3-6)•可见，无论分离网络以何种硬件形式实现，其原理均为实现火线和相线上噪声电压的相加和相减功能。LNLISN0ABToEUTCM+DMCM-DMCM500ºPowerCombinerSPECTRUMANALYZERLNLISN0ABToEUTCM+DMCM-DMDM50180ºPowerCombinerSPECTRUMANALYZER图3-6Guo分离网络•2、基于算法的模态软分离方法•另一方面与硬分离技术相比，借助数值计算功能来实现模态信号软分离的技术近来亦有报道。台湾的Lo提出将通过单模态硬件分离网络输出的CM或DM信号再输入到计算机中，然后根据LISN检测到的实际线上干扰信号和前置单模分离网络得到的单模信号通过组合计算，最终得到另一个模态干扰信号，系统结构如图3-7所示。•虽然该方法实现了软分离，但事实上由于算法中需要事先知道其中一个单模信号作为输入量，因此仍需要使用单模硬件分离网络做支撑(如图3-7)，所以这只能称为半模态软分离技术(semisoftware-basedmodeseparationnetwork)而并非完整的软分离方法。此外由于存在检测相位不确定因素，因此还有一定的计算误差。但总体上该方法已经使干扰信号分离功能得到加强，并使后续的传导性EMI智能化处理成为可能。PCCMCMDMLNLISNGEquipmentundertestNoiseseparatorSpectrumanalyserEquipmentundertest——待测试设备Noiseseparator——噪声分离器Spectrumanalyzer——频谱分析仪PC——电脑终端图3-7Lo分离网络•三、传导性电磁干扰噪声诊断特性分析•实验装置方案1如图3-8所示图3-8实验装置方案1示意图•分离网络CM/DM输出端接HP8753C网络分析仪，输入端通过0度/180度功率分配器接HP85047A扫频信号源(10K～30M),DM/CM输出端接50ohmterminator。•实验装置方案2如图3-9所示图3-9实验装置方案2示意图•在低频段，我们使用SP1641B型函数信号发生器，它的频率范围为1—3MHz；在高频段，我们使用SG-4162AD,它的频率范围为100KHz—150MHz。在网络性能测试中所需的频率范围为10KHz—30MHz。0/180度splitter用以取得所需的共模或差模输入信号，虚拟仪器DSO-2902具有双通道数据采集功能，可用于采集、测试、分析和输出测量数据，以代替频谱分析仪及TG扫频源，该方案大幅降低了测试成本，但测量精度有所下降。•为了对分离网络的特性进行研究，在这里定义一些参数，分别是共模插损（CMIL）、差模插损（DMIL）、共模抑制比（CMRR）和差模抑制比（DMRR）。（insertionloss,简称IL；rejectionrat