EMI滤波器插入损耗的精准测量方案及实验研究

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2020年第3期 安全与电磁兼容
引言
GB/T 7343-2017《无 源 EMC 滤 波 器 件 抑 制 特 性 的 测 量 方 法 》（ 以 下 简 称 “规 范 ”，等同采用 IEC/CISPR 17: 2011）[1]是国内外大多 EMI 滤波器制造商生产测试的指导文件。

然而，按规范的测量原理、定义和测试方法得到的数据，在各个厂商之间及各个滤波器用户之间往往不尽相同。

所以现行规范的测试方法不能精确地表示滤波器在其预定应用中产生的 EMI 插入损耗性能。

为了弥补现行规范的不足，本文提出利用共差模分离器来提高 EMI 滤波器插入损耗的测试精度，并通过实际测试加以验证。

另外，详细阐述了“对称差模测试”电路和“非对称测试”电路的区别。

1 无源 EMI 滤波器件的插入损耗[1]
插入损耗测量是一种确定滤波器或抑制电路对射频骚扰抑制能力的标准化测量方法。

目前，在 EMI 滤波器的插入损耗电路中，主要运用的是四端测试网络 理论[2]。

图 1 为典型的滤波器电路，包含有线-线电容 Cx、线-地电容 Cy 和共模电感（由火线与零对称绕制线同一个磁芯而形成）。

线-线电容 Cx 和电感的互感，在
滤波器的火线和零线之间产生很大的电磁耦合，就会产生与之相对应的共模、差模分量。

为了确保滤波器的正常工作和考虑到该情况，必须建立一个四端口插入损耗测量模型。

通用的电源 EMI 滤波器中，大都使用这个典型的基本电路结构。

本文采用四端口网络，分析滤波器插损测试规范中的三种电路，包括不对称（共模）测试电路、对称（差模）测试电路及非对称测试 电路。

1.1 不对称共模测试电路
如图 2 所示，不对称（共模）测试电路是使用一个同相输出的 50Ω 0功率分配器电路，每个端口的输出阻抗为 50 Ω，测量分析对插入损耗的影响。

本文使用 mini 公司ZFSC 50 Ω 0功分器，见图 2，其典型性能数据见表 1。

EMI 滤波器插入损耗的精准测量方案及实验研究
Precise Measurement Scheme and Experimental Research of EMI Filter Insertion Loss
北京理工大学 区健昌 周阔 田元波
摘要
简要介绍了共模、差模及非对称的测试电路，但都无法精准测量 EMI 滤波器的插入损耗。

因此提出一种基于共差模分离器的测量电路，来精准测量插入损耗，并进行了实验验证及分析。

该方案弥补了GB/T 7343-2017中测试方法的不足，并为滤波器内部电路存在的漏感现象、分布参数等对插入损耗的影响提供了测量方法。

关键词
四端网络；共模插入损耗；差模插入损耗；共差模分离器；功率分配器Abstract
The common mode, differential mode and asymmetric test circuits are introduced briefly, but the insertion loss of EMI filter can not be measured accurately. Therefore, a filter circuit based on the common differential mode separator is proposed to accurately measure the insertion loss, which is verified and analyzed by experiments. This scheme can make up for the shortcomings of the
test methods in GB/T 7343-2017, and provide a measurement method for the leakage phenomenon in the internal circuit of the filter and the influence of the distributed parameters on the insertion loss.
Keywords
four-terminal network; common mode insertion loss; differential mode insertion loss; common differential mode separator; power splitter
图 1 典型的滤波电路
46SAFETY & EMC No.3 2020
（a）不对称共模测试电路
（b）不对称共模参考电路
（c）50 Ω 0功分器外型
图 2 不对称共模电路
图 3 不对称共模测试电路的等效电路
表 1 ZFSC 50 Ω 0功分器的典型性能数据
频率/MHz 总体损耗/
dB 幅度不平衡/dB 隔离度/dB 相位不平衡/
驻波比S
驻波比1驻波比2S-1S-21 6.02 6.020.00 6.030.01 1.00 1.00 1.00700
6.07
6.06
0.01
6.07
0.29 1.03
1.03
1.03
表 2 ZFSC 50 Ω 180功分器的典型性能频率/MHz 总体损耗/
dB 幅度不平衡/dB 隔离度/dB
相位不平衡/
驻波比S
驻波比1驻波比2S-1S-25.00
3.64
3.620.0231.73179.50 1.08 1.23 1.2210.00 3.61 3.620.0132.06179.50 1.03 1.21 1.2113.40 3.65 3.610.0432.11179.40 1.02 1.20 1.2020.00 3.64 3.610.0332.09179.40 1.01 1.20 1.2030.30 3.59
3.650.0632.20179.30 1.03 1.21 1.2150.00 3.70 3.680.0232.34179.10 1.05 1.22 1.226
4.00 3.73 3.710.0232.48179.00 1.06 1.23 1.2389.30 3.80 3.720.0833.03
179.80 1.08
1.23 1.23
100.00 3.80
3.78
0.02
33.32179.70 1.08
1.23
1.23
如图 3 所示，电源线和中性线可认为是并联的，因此可将源阻抗和负载阻抗降低至 25 Ω。

根据频谱测量，只能看到一半的输出功率。

即使对参考电平进行补偿的
情况下也是如此，因此这 3 dB 的功率损耗不会影响插入损耗的测量值，仅仅是将测量灵敏度降低了
3 dB。

1.2 对称差模测试电路
对称差模测试电路是使用一个反相输出 50 Ω 180的功率分配器的电路，每个端口的输出阻抗为 50 Ω，
（a）对称差模测试电路
（b）对称差模参考电路
（c）50 Ω 180功分器外型
图 4 对称差模电路
测量分析对插入损耗的影响，0 dB 的参考电路如图4（b） 中所示。

由定义可知，在地线上没有差模电流流过，因此可被简化为图 5 所示的 100 Ω模型。

本文使用 mini 公司[3]ZFSC 50 Ω 180功分器，见图 3，其典型性能数据见表 2。

由表 1、表2可知，两个功分器的性能优异，主要表现在两路输出信号之间的幅度和相位不平衡度以及相互隔离度上。

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1.3 非对称测试电路
图 6 所示，为非对称测试电路，又被称为“NORMAL MODE（NM 或 nm）”常模电路。

为了方便分析网络，图 6 可以用诺顿等效电路来分解和代替，如图 7 所示。

其中，2I nm 是非对称测试电路的短路电流值。

每端的非
对称测试电路电路输入功率2
50nm
nm P I =×。

 插入损耗为0 dB 的滤波器，频谱分析仪的输出功率为 211
5044
nm nm I P ×=。

b）差模（100 Ω）
非对称测试中差模等效电路如图10所示。

匹配的共模参考电路,输入功率为211
10042nm nm I P ×=，
对于差模 为0 dB 的滤波器，频谱分析仪的共模输出功率为
图 5 
对称差模测试电路的等效电路图 6 
非对称测试电路
图 7 
非对称测试电路的诺顿等效电路
（a）非对称测试电路的合成后电路图
（b）非对称测试电路的合成前共模电路
（c）非对称测试电路的合成前差模电路
图 8 
非对称电路
由于非对称电路既非共模也非差模的电路，因此 图 7 可用共模和差模合成的代替电路，如图 8（a）所示。

图 8（b）和图8（c）分别将图 8（a）分解为共模电路部分和差模电路部分。

其中，共模等效电路的输入电流为 2I nm ，电源和负载的阻抗都是 25 Ω；差模等效电路的输入电流为I nm ，电源和负载的阻抗都是 100 Ω。

由此，可确定非对称测试电路输入功率在共模和差模分量之间的分配情况。

结合图 8（b）和图 8（c）的共模和差模等效电路，并仅在一个端口上测量输出功率，可知
a）共模（25 Ω）：
非对称测试中共模等效电路如图9所示。

匹配的共模参考电路功率输入为2
1252
nm nm I P ×=，对于共模 
图 9 
非对称测试中的共模等效电路
图 10 
非对称测试中的差模等效电路
48SAFETY & EMC No.3 2020
2115044
nm nm
I P ×=。

非对称测试电路模式功率可由共模和差模电路来构成，输入功率各占一半，输出功率由于仅测试一个端口，为总功率输出的四分之一。

由此可知，非对称测试电路插入损耗测量值是滤波器中共模和差模传输分量的和。

非对称测试电路分析也证明耦合到一条线上（或耦合到电平不同的两条线上）的滤波器会产生共模和差模噪声分量。

为了衰减它们，滤波器必须在两种模式下都产生衰减。

2 共模和差模插入损耗的精准测量方案及实
验分析
2.1 提出方案
如上所述，要确保滤波器在正常工作时将线-线电容 C x 、电感的互感及空间漏感，在滤波器的火线和零线之间以及对地之间产生的电磁耦合都考虑进来。

即使遵循规范的不对称（共模）、对称（差模）测试电路，所测得的结果也不能保证没有差模、共模分量。

因此提出共模和差模插损的精准测试的方案如图 11 所示，在之前的共、差模测试电路的滤波器后， 增加了共差模分离器，用于将电磁骚扰总量分离出共模分量和差模分量，共差模分离器是个多元组合器件，分离的精确度用抑制比（隔离度）表示。

共差模分离器的实质是由两条相互并行和隔离的共模和差模安全通道组成[3]，两条通道之
间的隔离度>40 dB，可以用来准确鉴别输入信号中的共模成分和差模成分。

2.2 实验分析
如图 12（a）所示，选用某公司的 FN2080-3-06滤波器。

测试工装采用北京泰派斯特滤波器测试工装，但分别采用三种不同的配置测试，分别为：用测试工装测试FN2080-3-06的共模、差模插入损耗；FN2080-3-06 输入端采用北京泰派斯特滤波器测试工装、输出端采用共差模分离器测试共模、差模插入损耗，如 图（b）所示；FN2080-3-06 输入端采用50 Ω 0功分器和 50 Ω 180功分器，输出端采用共差模分离器测试共模、差模插入损耗，如图 12（c）所示。

以上三种共模，差模插入损耗的具体参数对比见表 3。

由表3线性化的图 13、图14 可知，输入分别采用 50 Ω 0、50 Ω 180功分器及输出采用共差模分离器组成最严格测试系统的测试结果，与输出仅采用共差模分离器的测试结果很接近；充分证明其中具有精准测量功能的共差模分离器才是关键。

当输入端分别采用 50 Ω 0 
图 11 增加了共差模分离器的测试电路（a）共模测试电路
（b）差模测试电路图 12 某公司的 FN 2080-03-06滤波器
（b）滤波器测试工装
（a）被测滤波器 
（c）滤波器与功分器组合测试工装
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图13 FN 2080-3-06 共模插损三种测试方法对比曲线
图14 FN 2080-3-06 差模插损三种测试方法对比曲线
表 3 FN 2080-3-06 共模、差模插入损耗三种测试方法的数据对比频率
共模插入损耗/dB
差模插入损耗/dB FN 2080-03-06测试工装
FN 2080-03-06 共差模分离器
FN 2080-03-06共差模分离器功率分配器
FN 2080-03-06测试工装FN 2080-03-06共差模分离器
FN 2080-03-06共差模分离器功率分配器
10 kHz 31091015-20 kHz 152120111650 kHz 283434162170 kHz 3238373543100 kHz 4342405158200 kHz 6950487756500 kHz 5959539091700 kHz 645955100105(基本底噪)1 MHz 676059101105(基本底噪)2 MHz 72696997110(基本底噪)
5 MHz 73696980928910 MHz 66606065757020 MHz 56606154585630 MHz
54
56
60
64
54
53和50 Ω 180功分器测试会更精准，但目前频域理想的功分器很难购到而且价格不菲，目前建议使用 RF 变压器替代 50 Ω 180功分器。

50 Ω 0功分器可用射频三通替代。

但二者替代品的缺点是受限于工作频域，主要表现在当信号频率升高时，两路输出信号之间的相位不平衡度就会变差造成测试误差增大，一般相位不平衡度超过1.5以上测试误差就会变大[4]。

同时，对滤波电路内部的复杂电磁耦合进行了测试分析。

表 4 是 FN2080-3-06 滤波器输出采用共差模分离器的共模、差模测试数据。

图 15、图16 是表 4 的线性化。

如图15所示，除 500 kHz~5 MHz 之间差模
没有输出之外，10~200 kHz 和 10~30 MHz 都有差模输出（设置频点密度不够）。

从原理分析，10~200 kHz 差模输出逐步减小等效呈现分布电容特性；10~30 MHz 差模输出逐步增大等效呈现分布电感特性。

如图 16所示，共模输出呈现非常复杂的情况，等效分布参数反复变化，除 500 kHz~2 MHz 之间差模没有输出之外，10~ 70 kHz 呈现分布电容特性；70~500 kHz 呈现分布电感特性； 500 kHz~10 MHz 呈现分布电容特性；10~20 MHz 呈现分布电感特性；20 ~30 MHz 呈现分布电容特性。

值得关注的是，共模输出平均电平为 46.3 dBμV,占输入电平的 46.3%。

由此可以断，每一个电容和电感转折点都出现谐振点，所以一共出现四个谐振点。

以上测试
的数据，可以提供滤波器设计人员研究，诸如滤波器的
50SAFETY & EMC No.3 2020表 4 FN 2080-3-06 共模、差模测试中的共\差模输出
频率
共模信号输入 107 dBμV差模信号输入 107 dBμV
共模信号输出/dBμV差模信号输出/dBμV差模信号输出/dBμV共模信号输出/dBμV
10 kHz95.36987.174 20 kHz85.26083.866 50 kHz72.74582.953 70 kHz693966.345 100 kHz65.4335346 200 kHz58202947.5 500 kHz52.5基本底噪基本底噪51
1 MHz47基本底噪基本底噪46
2 MHz37基本底噪基本底噪43.7 5 MHz37基本底噪2342.2 10 MHz463138.538 20 MHz4660.851.552 30 MHz4672.649.740
图 15 共模输出电压
图 16 差模输出电压
电路设计、元件选用、结构设计、内部元件布置以及灌封材料的选择等方面。

3 结语
本文介绍了目前“规范”制定的三种插损测试方法，但频谱仪实际测量的是滤波器输出剩余干扰的共差模分量之矢量和，针对这个问题，提出使用共差模分离器来检测滤波器的抑制效果，可以分别精准地测试出抑制共模或差模的效果；反过来也可以指导滤波器共模和差模电路的精确设计。

共差模分离器测试电磁耦合的应用还有很多[5]，研究者可从测量设备内部线缆之间的电磁耦合性质、耦合量、屏蔽措施及效果等方面，进行进一步研究。

参考文献
[1] 上海电器科学研究院, 中国电子技术标准化研究所, 北京
中石伟业科技股份有限公司,等 . GB/T 7343-2017 无源
EMC 滤 波 器 件 抑 制 特 性 的 测 量 方法[S]. 北京: 中国
标准出版社, 2017.
[2] 施耐德·隆·M.Power line EMI Filter Insertion Loss[C]//1982
IEEE International Symposium on Electromagnetic
Compatibility. Santa Clara, USA: IEEE, 1982
[3] 区健昌.共差模分离器的新思路[J].电子科学技术,
2014(2): 130-133.
[4] 区健昌.周阔.试论共差模分离器抑制比的测试和诊断方
法[J].工业技术创新, 2018(6): 1-5.
[5] Henry W.Ott.电子系统中噪声的抑制与衰减技术(第二
版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.
编辑：余琼 
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