传导性电磁干扰噪声的诊断与抑制方法
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参考文献
［１］ Ｚｈａｏ Ｙａｎｇ， ＳＥＥ Ｋｙｅ Ｙａｋ． Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＣＭ／ＤＭ
ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ［２］ ２ ０ ０ ３ １ ０ ： ５ ３ ６ － ５ ３ ９ ． Ｃ．Ｒ． Ｐａｕｌ， Ｋ．Ｂ． Ｈａｒｄｉｎ． Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ： ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ［３］ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ， １９８８，３３（４）： ５５３－５６０． Ｋ．Ｙ．Ｓｅｅ，．Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ［Ｊ］． ［４］ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒ， １９９９，３５（１７）：１４４６－１４４７． Ｍ．Ｍａｒｄｉｇｕｉａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒａｉｎｂｏｕｒｇ．Ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ， ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］． ［５］ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．ｏｎ ＥＭＣ， １９９９（２）：８８２－８８６． Ｔ．Ｇｕｏ， Ｄ．Ｙ．Ｃｈｅｎ． Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ－ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ－ｍｏｄｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｎｏｉｓｅ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ［６］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９６，１１（３）： ４８０－４８８． Ｌｏｎ Ｍ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ． Ｎｏｉｓｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｏｆｆ－ｌｉｎｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｕｓｅ ｉｎ Ｉｎｐｕｔ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ［７］ ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ＥＭＣ Ｓｙｍｐ， １９８３：１６７－１７５． Ｋｙｅ Ｙａｋ Ｓｅｅ， Ｊｕｎｈｏｎｇ Ｄｅｎｇ． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ＳＭＰＳ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｗｏ ｐｒｏｂｅｓ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ［８］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００４，１９（３） ：８６２－８６８． Ｄ． Ｚｈａｎｇ， Ｄ． Ｃｈｅｎ， ＭＪ． Ｎａｖｅ， Ｄ． Ｓａｂｌｅ． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ［９］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２０００， １５（５）： ８２０－８２５． 孟进 马伟明 张磊 等． 变换器传导电磁干扰集中等效 ［１０］ 模型参数估计方法［Ｊ］．电工技术学报 ２００５（２０）：２５－２９． 和军平 姜建国 陈斌． 电力电子装置传导电磁干扰特 性测量的新方法［Ｊ］．电力电子技术 ２００１（３５）：３２－３５．
传导性电磁干扰噪声的诊断与抑制方法
Discussion of Conductive EMI Noise Diagnosis and Suppression
１苏州泰思特电子科技有限公司 ２南京师范大学电气与自动化工程学院 蔡骏１ 沈雪梅２ 尹海平２ 赵阳１ ２ 李世锦２
摘要 传导性Ｅ Ｍ Ｉ的测试主要是通过线性阻抗稳定网络 Ｌ Ｉ Ｓ Ｎ 进行的 但测得的结果是共模 ＣＭ 噪声和差
繁琐 Ｓｅｅ［７］提出了使用双电流探头法测开关电源的内阻 抗 虽然精度较高 但忽略了相位信息 且使用的仪器成本 较高 Ｚｈａｎｇ Ｄｏｎｇｂｉｎｇ［８］提出使用 插入损耗法 来测量离 线式变换器电磁干扰等效内阻抗 该方法通过并入一个已 知的电感 由 插入损耗 曲线得出变换器传导干扰等效内 阻抗的幅频特性曲线 再对之进行希尔伯特变换 Ｈｉｌｂｅｒｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ 即得到等效内阻抗相频特性曲线 该方法具有 较好的理论基础 但同样存在阻抗相位测量精度低 不能 提取出有效等效电磁干扰源的信息 适用频段窄的缺点 孟进［９］提出了一种模型参数估计法 在ＬＩＳＮ和变换器之间 引入已知阻抗特性的滤波元件 串联或者并联 通过考查 在ＬＩＳＮ端口干扰电压和电流的变化关系计算出等效噪声 源和内阻抗 但该方法忽略了相位信息 和军平［１０］提出了 一种直接测量法 通过用阻抗分析仪和示波器的测量得出 变换器内部传导干扰源和内阻抗的幅频相频特性 但该方 法须对变换器的内部进行短路操作 执行起来比较复杂
２ 噪声源阻抗的建模
滤波器是抑制电磁干扰的有效措施 但我们在进行滤 波器设计时 事先并不知道内部干扰源和阻抗 而干扰源 阻抗和滤波器阻抗之间的匹配关系直接影响到滤波器的 滤波效果 因此 准确估计开关电源内部阻抗对于电磁干 扰的有效抑制有着重要意义 Ｌｏｎ Ｍ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ［６］在１９８３年 提出了用谐振技术建立离线式变换电磁干扰等效模型的 方法 通过加入电感器并使之与变换器传导干扰的等效内 阻抗发生谐振 从谐振频率和品质因数推知电磁干扰的等 效阻抗 该方法的使用频率段窄 １ ＭＨｚ 且实施起来很
图３ Ｓｅｅ 分离网络
路 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
模 Ｄ Ｍ 噪声的混合信号 而滤波器的设计分为共模和差模两个部分 介绍传导性电磁干扰噪声的分离 技术及Ｅ Ｍ Ｉ 滤波器的阻抗匹配问题 通过实例证明 传导性电磁干扰噪声分离网络能对共模和差模噪声 进行有效地诊断 为正确选用抑制噪声的Ｅ Ｍ Ｉ 滤波器提供依据 关键词
电磁干扰 噪声诊断 噪声抑制 阻抗 噪声分离网络 Abstract
（ｂ） 滤波之后的共模噪声分量
图１ ０ 使用滤波器前后的共模噪声 有噪声分离网络
标准，且难于区分是以共模噪声还是差模噪声为主 同 时也没有滤波器设计所需要的过量噪声分贝及滤波器 截止频率等重要信息 当加上噪声分离网络后 对比 图８和图１０就可以清楚地看到ＣＭ噪声特征与总噪声的关 系，共模噪声因其频率较低且 地电位差 产生的信号幅 值相对较大 在整个干扰信号频谱中居主导地位 由此 共模滤波器的滤波特性将直接决定对初始总噪声的抑制 效果 可见 当采用噪声测量与抑制智能系统后 我们可 以直接根据测量得到的模态噪声特征加以诊断 进行滤 波器的合理设计 高效地实现噪声抑制 使被测设备的传 导性电磁干扰噪声满足电磁兼容 ＥＭＣ 标准
（ａ） ＣＭ阻抗测试方案
（ｂ） ＤＭ阻抗测试方案
（ｃ） 等放电路
图６ ＣＭ ＤＭ噪声源阻抗的双电流探测法
图７ 以开关电源拖带阻性负载为被测设备的 实验布置图
在无噪声分离网络条件下 加与不加滤波器时总噪 声的情况对比如图８所示 其中 图８ ａ 为初始混合噪声 图８ ｂ 为经过滤波之后的总噪声 图９为由诊断软件设 计的共模滤波器滤波特性 图１０为在有噪声分离网络的 条件下 加与不加滤波器时共模噪声的情况对比 其中 图１０ ａ 图为初始共模噪声分量 图１０ ｂ 为经过共模滤 波器抑制之后的共模噪声
出信号 如只能测量ＣＭ信号或ＤＭ信号 此 外 Ｐ ａ ｕ ｌ 网络因引入机械式开关 ｓｗｉｔｃｈ 选择ＣＭ ／ Ｄ Ｍ 模态的输出 从而 带来网络的不平衡性 并最终影响该网 络的高频Ｃ Ｍ ／ Ｄ Ｍ 识别特性
图１ 用于传导性电磁干扰的测量设备ＬＩＳＮ原理图
在图１中 测量电阻上的噪声电压分别是 １ ２
３ 案例分析
将开关电源接一组 ３个 ５００ Ｗ ５ 并联的电阻盘 用作被测设备即噪声源 在测试系统中加入自制的功率 滤波器 以此作为我们全智能测试系统的检测对象 该系 统由以下几部分组成 线阻抗稳定网络ＬＩＳＮ ＡＣ／ＤＣ ２４ Ｖ ９６０ Ｗ直流输出开关电源接一组 ３个 ５００ Ｗ ５ 并联的电阻盘 功率合成器ｃｏｍｂｉｎｅｒ构成的噪声分离网 络Ｄ Ｎ 及Ｇ Ｓ Ｐ － ８ ２ ７ 频谱分析仪构成的Ｅ Ｍ Ｉ 噪声智能诊断 系统 ＥＭＩ滤波器构成噪声抑制系统 供电电源用单相三 线２２０ Ｖ交流工频电源 实验装置如图７所示
由式 １ 式 ２ 可知 ＬＩＳＮ所测量到的实际上是共模 ＣＭ 和差模 Ｄ Ｍ 信号的混合信号 无法直接检测Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 信号的具体分量
美国Ｐａｕｌ［２］提出了一种分离网络 即采用两个简单的变比为１：１的射 频变压器作为分离网络的核心 如图２所示 但该网络只能测量单模态输
图２ Ｐａｕｌ 分离网络 新加坡的Ｓｅｅ［３］设计出可以同时提供 具有ＣＭ ／ＤＭ 抑制能力的信号分离电
实验结果表明 在不加噪声分离网络时 被测设备 的初始混合噪声在多个频率点上均出现高于Ｅ Ｍ Ｃ 标准 限制线上的噪声 最高超调可达２８ ｄＢ 不符合电磁兼容
（ａ） 初始总噪声
（ａ） 初始共模噪声分量
ห้องสมุดไป่ตู้
（ｂ） 滤波之后的总噪声
图８ 使用滤波器前后的总噪声 无噪声分离网络
图９ 共模滤波器滤波特性
本文用双电流探测法对负载的内阻抗进行测试 并 通过Ｈｉｌｂｅｒｔ变换法来获取负载阻抗的相位信息 以开关 电源为例 Ｃ Ｍ Ｄ Ｍ 阻抗测试方案如图６
根据等效电路分析 最终可以分别通过三种状 态 即短路 标准电阻负载和开关电源正常工作三种负 载状态下的电流探头测量值 得到最后的噪声源内阻 抗 可表示成
Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ＥＭＩ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ａ Ｌｉｎｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＬＩＳＮ）． Ｂｕｔ ｉｔ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ａｎｄ ｃａｎｎｏｔ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ＣＭ ａｎｄ ＤＭ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ＥＭＩ ｎｏｉｓｅ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ．
美国Ｇｕｏ［５］提出了采用０ ／１８０ ｃｏｍｂｉｎｅｒ取代变压器 作分离网络 如图５所示 分别用０ 和１８０ 的ｃｏｍｂｉｎｅｒ实 现Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 的模态分离和输出 功率混合器（ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）在物理结构上同功率分相器（ｐｏｗｅｒ ｓｐｌｉｔｔｅｒ） 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等幅和指定相位的信号输出 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 １０ ３０ ＭＨＺ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
Keywords
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｎｏｉｓｅ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｎｏｉｓｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｎｏｉｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ
１ 传导性电磁干扰噪声的诊断
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［１］ ＬＩＳＮ Ｌｉｎｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ 简称ＬＩＳＮ 原理如图１ 其核心是通过电感 电容和标准５０ Ω阻抗构成的测试网络 作为获得被 测设备Ｅ Ｕ Ｔ 所产生的传导干扰信号的接受器
３
其中 ＶＰ为电流探头线圈上的感应电压值 通过对式 ３ 中两部分阻抗和相位的分别计算 最终得到我们所需 的负载内阻抗
由此 我们可以分别得到开关电源的ＣＭ 和ＤＭ 内阻 抗 作为噪声源阻抗进行ＥＭＩ滤波器的设计 从而实现阻 抗匹配 使得设计出的ＥＭＩ滤波器能够分别对Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 噪声实现有效的抑制
图５ Ｇｕｏ 分离网络
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 但功率 混合器价格昂贵 所以影响其推广使用
当实现ＣＭ与ＤＭ 噪声的分离后 就可以分别针对这 两种模态的噪声进行ＣＭ与ＤＭ滤波器的设计 在进行滤 波器设计时 首先必须知道噪声源的阻抗 而后才能计算 出各滤波器件的参数
法国Ｍａｒｄｉｇｕａｉａｎ［４］给出了一种更简单的分离网络如 图４ 所示 它仅使用一个变压器就能分离Ｃ Ｍ ／ Ｄ Ｍ
图４ Ｍ ａ ｒ ｄ ｉ ｇ ｕ ｉ ａ ｎ 分离网络
这些网络由于都采用了变压器作为主要的分离 器件 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（ｍｏｄｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ）衰退的现象 一般有１０ ２０ ｄＢ的衰减 因此分离网络性能有待进 一步提高
［１］ Ｚｈａｏ Ｙａｎｇ， ＳＥＥ Ｋｙｅ Ｙａｋ． Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＣＭ／ＤＭ
ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ［２］ ２ ０ ０ ３ １ ０ ： ５ ３ ６ － ５ ３ ９ ． Ｃ．Ｒ． Ｐａｕｌ， Ｋ．Ｂ． Ｈａｒｄｉｎ． Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ： ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ［３］ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ， １９８８，３３（４）： ５５３－５６０． Ｋ．Ｙ．Ｓｅｅ，．Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ［Ｊ］． ［４］ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒ， １９９９，３５（１７）：１４４６－１４４７． Ｍ．Ｍａｒｄｉｇｕｉａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒａｉｎｂｏｕｒｇ．Ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ， ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］． ［５］ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．ｏｎ ＥＭＣ， １９９９（２）：８８２－８８６． Ｔ．Ｇｕｏ， Ｄ．Ｙ．Ｃｈｅｎ． Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ－ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ－ｍｏｄｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ｎｏｉｓｅ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ［６］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９６，１１（３）： ４８０－４８８． Ｌｏｎ Ｍ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ． Ｎｏｉｓｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｏｆｆ－ｌｉｎｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｕｓｅ ｉｎ Ｉｎｐｕｔ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ［７］ ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ ＥＭＣ Ｓｙｍｐ， １９８３：１６７－１７５． Ｋｙｅ Ｙａｋ Ｓｅｅ， Ｊｕｎｈｏｎｇ Ｄｅｎｇ． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ＳＭＰＳ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｗｏ ｐｒｏｂｅｓ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ［８］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００４，１９（３） ：８６２－８６８． Ｄ． Ｚｈａｎｇ， Ｄ． Ｃｈｅｎ， ＭＪ． Ｎａｖｅ， Ｄ． Ｓａｂｌｅ． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ［９］ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２０００， １５（５）： ８２０－８２５． 孟进 马伟明 张磊 等． 变换器传导电磁干扰集中等效 ［１０］ 模型参数估计方法［Ｊ］．电工技术学报 ２００５（２０）：２５－２９． 和军平 姜建国 陈斌． 电力电子装置传导电磁干扰特 性测量的新方法［Ｊ］．电力电子技术 ２００１（３５）：３２－３５．
传导性电磁干扰噪声的诊断与抑制方法
Discussion of Conductive EMI Noise Diagnosis and Suppression
１苏州泰思特电子科技有限公司 ２南京师范大学电气与自动化工程学院 蔡骏１ 沈雪梅２ 尹海平２ 赵阳１ ２ 李世锦２
摘要 传导性Ｅ Ｍ Ｉ的测试主要是通过线性阻抗稳定网络 Ｌ Ｉ Ｓ Ｎ 进行的 但测得的结果是共模 ＣＭ 噪声和差
繁琐 Ｓｅｅ［７］提出了使用双电流探头法测开关电源的内阻 抗 虽然精度较高 但忽略了相位信息 且使用的仪器成本 较高 Ｚｈａｎｇ Ｄｏｎｇｂｉｎｇ［８］提出使用 插入损耗法 来测量离 线式变换器电磁干扰等效内阻抗 该方法通过并入一个已 知的电感 由 插入损耗 曲线得出变换器传导干扰等效内 阻抗的幅频特性曲线 再对之进行希尔伯特变换 Ｈｉｌｂｅｒｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ 即得到等效内阻抗相频特性曲线 该方法具有 较好的理论基础 但同样存在阻抗相位测量精度低 不能 提取出有效等效电磁干扰源的信息 适用频段窄的缺点 孟进［９］提出了一种模型参数估计法 在ＬＩＳＮ和变换器之间 引入已知阻抗特性的滤波元件 串联或者并联 通过考查 在ＬＩＳＮ端口干扰电压和电流的变化关系计算出等效噪声 源和内阻抗 但该方法忽略了相位信息 和军平［１０］提出了 一种直接测量法 通过用阻抗分析仪和示波器的测量得出 变换器内部传导干扰源和内阻抗的幅频相频特性 但该方 法须对变换器的内部进行短路操作 执行起来比较复杂
２ 噪声源阻抗的建模
滤波器是抑制电磁干扰的有效措施 但我们在进行滤 波器设计时 事先并不知道内部干扰源和阻抗 而干扰源 阻抗和滤波器阻抗之间的匹配关系直接影响到滤波器的 滤波效果 因此 准确估计开关电源内部阻抗对于电磁干 扰的有效抑制有着重要意义 Ｌｏｎ Ｍ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ［６］在１９８３年 提出了用谐振技术建立离线式变换电磁干扰等效模型的 方法 通过加入电感器并使之与变换器传导干扰的等效内 阻抗发生谐振 从谐振频率和品质因数推知电磁干扰的等 效阻抗 该方法的使用频率段窄 １ ＭＨｚ 且实施起来很
图３ Ｓｅｅ 分离网络
路 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
模 Ｄ Ｍ 噪声的混合信号 而滤波器的设计分为共模和差模两个部分 介绍传导性电磁干扰噪声的分离 技术及Ｅ Ｍ Ｉ 滤波器的阻抗匹配问题 通过实例证明 传导性电磁干扰噪声分离网络能对共模和差模噪声 进行有效地诊断 为正确选用抑制噪声的Ｅ Ｍ Ｉ 滤波器提供依据 关键词
电磁干扰 噪声诊断 噪声抑制 阻抗 噪声分离网络 Abstract
（ｂ） 滤波之后的共模噪声分量
图１ ０ 使用滤波器前后的共模噪声 有噪声分离网络
标准，且难于区分是以共模噪声还是差模噪声为主 同 时也没有滤波器设计所需要的过量噪声分贝及滤波器 截止频率等重要信息 当加上噪声分离网络后 对比 图８和图１０就可以清楚地看到ＣＭ噪声特征与总噪声的关 系，共模噪声因其频率较低且 地电位差 产生的信号幅 值相对较大 在整个干扰信号频谱中居主导地位 由此 共模滤波器的滤波特性将直接决定对初始总噪声的抑制 效果 可见 当采用噪声测量与抑制智能系统后 我们可 以直接根据测量得到的模态噪声特征加以诊断 进行滤 波器的合理设计 高效地实现噪声抑制 使被测设备的传 导性电磁干扰噪声满足电磁兼容 ＥＭＣ 标准
（ａ） ＣＭ阻抗测试方案
（ｂ） ＤＭ阻抗测试方案
（ｃ） 等放电路
图６ ＣＭ ＤＭ噪声源阻抗的双电流探测法
图７ 以开关电源拖带阻性负载为被测设备的 实验布置图
在无噪声分离网络条件下 加与不加滤波器时总噪 声的情况对比如图８所示 其中 图８ ａ 为初始混合噪声 图８ ｂ 为经过滤波之后的总噪声 图９为由诊断软件设 计的共模滤波器滤波特性 图１０为在有噪声分离网络的 条件下 加与不加滤波器时共模噪声的情况对比 其中 图１０ ａ 图为初始共模噪声分量 图１０ ｂ 为经过共模滤 波器抑制之后的共模噪声
出信号 如只能测量ＣＭ信号或ＤＭ信号 此 外 Ｐ ａ ｕ ｌ 网络因引入机械式开关 ｓｗｉｔｃｈ 选择ＣＭ ／ Ｄ Ｍ 模态的输出 从而 带来网络的不平衡性 并最终影响该网 络的高频Ｃ Ｍ ／ Ｄ Ｍ 识别特性
图１ 用于传导性电磁干扰的测量设备ＬＩＳＮ原理图
在图１中 测量电阻上的噪声电压分别是 １ ２
３ 案例分析
将开关电源接一组 ３个 ５００ Ｗ ５ 并联的电阻盘 用作被测设备即噪声源 在测试系统中加入自制的功率 滤波器 以此作为我们全智能测试系统的检测对象 该系 统由以下几部分组成 线阻抗稳定网络ＬＩＳＮ ＡＣ／ＤＣ ２４ Ｖ ９６０ Ｗ直流输出开关电源接一组 ３个 ５００ Ｗ ５ 并联的电阻盘 功率合成器ｃｏｍｂｉｎｅｒ构成的噪声分离网 络Ｄ Ｎ 及Ｇ Ｓ Ｐ － ８ ２ ７ 频谱分析仪构成的Ｅ Ｍ Ｉ 噪声智能诊断 系统 ＥＭＩ滤波器构成噪声抑制系统 供电电源用单相三 线２２０ Ｖ交流工频电源 实验装置如图７所示
由式 １ 式 ２ 可知 ＬＩＳＮ所测量到的实际上是共模 ＣＭ 和差模 Ｄ Ｍ 信号的混合信号 无法直接检测Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 信号的具体分量
美国Ｐａｕｌ［２］提出了一种分离网络 即采用两个简单的变比为１：１的射 频变压器作为分离网络的核心 如图２所示 但该网络只能测量单模态输
图２ Ｐａｕｌ 分离网络 新加坡的Ｓｅｅ［３］设计出可以同时提供 具有ＣＭ ／ＤＭ 抑制能力的信号分离电
实验结果表明 在不加噪声分离网络时 被测设备 的初始混合噪声在多个频率点上均出现高于Ｅ Ｍ Ｃ 标准 限制线上的噪声 最高超调可达２８ ｄＢ 不符合电磁兼容
（ａ） 初始总噪声
（ａ） 初始共模噪声分量
ห้องสมุดไป่ตู้
（ｂ） 滤波之后的总噪声
图８ 使用滤波器前后的总噪声 无噪声分离网络
图９ 共模滤波器滤波特性
本文用双电流探测法对负载的内阻抗进行测试 并 通过Ｈｉｌｂｅｒｔ变换法来获取负载阻抗的相位信息 以开关 电源为例 Ｃ Ｍ Ｄ Ｍ 阻抗测试方案如图６
根据等效电路分析 最终可以分别通过三种状 态 即短路 标准电阻负载和开关电源正常工作三种负 载状态下的电流探头测量值 得到最后的噪声源内阻 抗 可表示成
Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ＥＭＩ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ａ Ｌｉｎｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＬＩＳＮ）． Ｂｕｔ ｉｔ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ＥＭＩ ａｎｄ ｃａｎｎｏｔ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ＣＭ ａｎｄ ＤＭ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ＥＭＩ ｎｏｉｓｅ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ＥＭＩ ｆｉｌｔｅｒ．
美国Ｇｕｏ［５］提出了采用０ ／１８０ ｃｏｍｂｉｎｅｒ取代变压器 作分离网络 如图５所示 分别用０ 和１８０ 的ｃｏｍｂｉｎｅｒ实 现Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 的模态分离和输出 功率混合器（ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃｏｍｂｉｎｅｒ）在物理结构上同功率分相器（ｐｏｗｅｒ ｓｐｌｉｔｔｅｒ） 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等幅和指定相位的信号输出 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 １０ ３０ ＭＨＺ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
Keywords
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｎｏｉｓｅ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｎｏｉｓｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｎｏｉｓｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ
１ 传导性电磁干扰噪声的诊断
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［１］ ＬＩＳＮ Ｌｉｎｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ 简称ＬＩＳＮ 原理如图１ 其核心是通过电感 电容和标准５０ Ω阻抗构成的测试网络 作为获得被 测设备Ｅ Ｕ Ｔ 所产生的传导干扰信号的接受器
３
其中 ＶＰ为电流探头线圈上的感应电压值 通过对式 ３ 中两部分阻抗和相位的分别计算 最终得到我们所需 的负载内阻抗
由此 我们可以分别得到开关电源的ＣＭ 和ＤＭ 内阻 抗 作为噪声源阻抗进行ＥＭＩ滤波器的设计 从而实现阻 抗匹配 使得设计出的ＥＭＩ滤波器能够分别对Ｃ Ｍ 和Ｄ Ｍ 噪声实现有效的抑制
图５ Ｇｕｏ 分离网络
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 但功率 混合器价格昂贵 所以影响其推广使用
当实现ＣＭ与ＤＭ 噪声的分离后 就可以分别针对这 两种模态的噪声进行ＣＭ与ＤＭ滤波器的设计 在进行滤 波器设计时 首先必须知道噪声源的阻抗 而后才能计算 出各滤波器件的参数
法国Ｍａｒｄｉｇｕａｉａｎ［４］给出了一种更简单的分离网络如 图４ 所示 它仅使用一个变压器就能分离Ｃ Ｍ ／ Ｄ Ｍ
图４ Ｍ ａ ｒ ｄ ｉ ｇ ｕ ｉ ａ ｎ 分离网络
这些网络由于都采用了变压器作为主要的分离 器件 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（ｍｏｄｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ）衰退的现象 一般有１０ ２０ ｄＢ的衰减 因此分离网络性能有待进 一步提高