基于改进双电流探头法的EMI噪声源内阻抗测量

1、第 39卷 增刊 (II 2009年 11月 东 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition V ol . 39Sup (II N ov . 2009 基于改进双电流探头法的 E M I 噪声源内阻抗测量赵 波 1, 2 封志明 2 赵 敏 1 水利民 2 姚 敏1(1南京航空航天大学自动化学院 , 南京 200016(2江苏省计量科学研究院 , 南京 210007 摘要 :提出了一种应用于 E M I 噪声源内阻抗测量的改进双电流探头法 . 首先 , 分别利用 2个标

2、准 电阻代替被测噪声源内阻抗接入测试回路 , 或将被测噪声源内阻抗短路 , 依次测量上述 3种测试 回路中注入探头输入电压和检测探头输出电压 , 得到 3个测试回路方程 , 并由此得到测试回路阻 抗的幅值与相位 . 然后 , 将 E M I 噪声源接入测试回路 , 重复上述测试步骤 , 测 E M I 噪声源内阻抗的幅值与相位 , 对 A C 2D C 开 关电源噪声源内阻抗的分析结果表明 , 抗分别呈减小和增大的趋势 .关键词 :; 中图分类号 :A 文章编号 :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. 作者简介 :赵波 (1979 , 男 , 博士生 ; 赵敏 (联系人 , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , zhaom in nuaa . edu . cn . 基金项目 :国家质检总局科技计划资助项目 (2008Q K 104 .在电 磁 兼 容 (electrom agnetic com patibility, E M C 标 准 规 定 的 传 导 电 磁 干 扰 (electrom agnetic in terference, E M I 测量设置中 , 被测设备 (equipm en t under test, EU T 的电磁噪声由线性阻抗稳定网络 (line i

9、 m p edance stabilization net w o rk, L ISN 测得 , 其阻抗特性被严格规范 1, 测量结果只含有 930M H z 的噪声射频电压参数 , 不含噪声源等效噪声源内阻抗参数 . 事实上 , EU T 噪声源内阻抗特性千变万化 , 设 计出与噪声源内阻抗特性相匹配的滤波器方能有效滤除电路中的传导 E M I 噪声 . 因此 , 对 EU T 中传导 E M I 电磁噪声源内阻抗进行测量是非常重要的 2-3.目前 , 测量噪声源内阻抗有多种方法 . 文献 4-5提出了一种插入损耗法 , 通过在电路中串联共模 (comm on m ode, CM 扼流圈和并

10、联差模 (differential m ode, DM 电容 , 减小电路中 CM 噪声与 DM 噪声 , 并通过测量噪声的变化以得到噪声等效噪声源内阻抗 . 然而 , 这种方法没有涉及噪声源的测量方法 , 且计 算阻抗相 位 的 步 骤 过 于 复 杂 , 因 而 实 用 性 较 差 . 文 献 6提 出 了 一 种 测 量 脉 宽 调 制 (pulse w idth m odulation, P WM 驱动电机系统戴维南等效干扰源和阻抗的方法 , 该方法可较准确地测量 P WM 驱动电 机的噪声源内阻抗 , 缺点是实施困难 , 需要专门的检测工具提取噪声电压源信号 , 且应用范围不广 .

11、文献7-8采用散射参数对噪声源内阻抗进行测量 , 该方法不仅可以较精确地测量噪声源内阻抗的幅值 , 还 能测量其相位信息 , 但对于测试设备要求较高 . 文献 9-10采用双电流探头法对于噪声源内阻抗进行测 试 , 该方法实用性较强 , 应用范围较广 , 但是测量中的线缆损耗较大 , 精度有待提高 .1 噪声源内阻抗测量的理论分析本文以开关电源 (sw itched 2m ode p ow er supp ly, SM PS 为例 , 量进行理论分析 . 根据传播路径的不同 , SM PS DM 干扰 . CM 干 扰是指电源的相线与中线所构成回路中的干扰信号 , 路中的干扰信号 .1. 1

12、测试原理该方法采用 29. 其中 , 一个电流探头作为注入探头 , 另一个作为接收探 头 . 通过测试 , SM PS 在 E M C 标准规定范围内各频率点的 CM 阻抗和 DM 阻抗 , 具有较好的测量精度 . 如图 1所示 , 双电流探头法测试的实验装置包括了 1个注入式电流探头 、 1个接收式电流探头 、 1台信 号发生器和 1台频谱分析仪 . 要测量的未知阻抗以 bb 端的阻抗 Z x 来表示 , 2个电流探头 、 耦合电容以及 未知阻抗组成了一条回路 . 当信号发生器输出的正弦波信号 V w 注入到注入式电流探头时 , 电路中产生电 流 I w , 通过频谱分析仪可以检测到 I w

13、 对接收式电流探头的作用结果 . 通过信号发生器中不同频率点的输 出 , 可以在接收式电流探头端获取不同频率点的电流值 .图 2(a 给出了 aa 端 注入式电流探头的等效电路图 . 图中 , V s ig 和 Z sig 分别表示信号发生器的输出电压和噪声源内阻抗 , I p 表示注入式电流探头的输入电流 , L p , L w 和 M 分别表示变压器原边的自感 、 副边的自 感和互感 .图 1 双电流探头法的原理图 图 2 双电流探头法的等效电路图1. 2 理论分析若耦合回路中的电流为 I w , 则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 的注入式电流探头可以用等效的电压源 V M 1和电压源噪声源内阻抗 Z M 1代替 , 如图 2(b 所示 . Z M 2表示检测式电流探头导致的互感 , 则V M 1=(Z M 1+Z M 2+Z C +Z x I w (488 东南大学学报 (自然科学版 第 39卷 令 Z in =Z M 1+Z

15、 M 2+Z C , 则式 (4 可简化为V M 1=(Z in +Z x I w (5由式 (5 可知 , 未知阻抗 Z x 可表示为Z x V M 1I w -Z in (6检测式电流探头中通过的电流为I w V p 2Z T 2(7式中 , V p 2表示检测式电流探头测得的电压 ; Z T 2表示校准此探头后的转移阻抗 .将 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、 则式 (8 可简化为Z x 2-in ( 9, K V sig 是一个固定系数 . 如果有一已知阻值 的高精度电阻 R s td in |, Z x , 则固定系数 K V sig 可通过下式得到 :K V s ig R std V p 2Z x =R std (10图 3 注入信号经线缆损耗后的频率 2电 压曲线短路阻抗 Z in 的测试可按文献 9的方法 , 即将 Z x 短路测得 . 然而 , 测量中由于需要探头耦合 , 其导线通常选择普通导线 , 测试线缆损耗不容忽视 , 该线损与导线长度和测试信号频率有关 . 如图 3所示 , 信号源在不同频率下输出幅值相同的信号时 , 过长的测量

17、导线将导致短路电压下降过快 , 该误差对于噪声源内阻抗测量影响较大 . 本文提出采用一个微小电阻和短路阻抗进行串联的方法以提高测量精度 . 此时 , 短路阻抗可表示为Z in =Z in +Z sm a ll (11 将一个微小电阻接入测试回路 , 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 在准确测量 Z in 的基础 , 对噪声源内阻抗进行测量 , 将 Z x 处接上待测设备 , 则噪声源内阻抗为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 可得待测设备的噪声源内阻抗与微小电阻阻抗的矢量差模 , 从而得到不同频率时的 Z x . 2 实验结果及分析2. 1 实验步骤采用已知阻抗的电阻对该方法的可行性进行实验验证 . 实验中 R std =500, 选取 10的电阻作为用 来减小线损的微小电阻 , 选择泰克公司的 C T 1和 C T 2作为双电流探头 , 将其接入电路进行测量 . 由于电压 信号太小 , 要将所

19、测得的信号通过信号放大器进行电压放大 , 然后将放大后的信号接入频谱仪 , 其电路连接如图 4(a 所示 11. 将测得的阻抗值与采用矢量网络分析仪 (vector net w o rk analyzer, VNA 的散射参数法 7-8的测量结果以及采用双电流单电阻方法的测量结果进行比较 .98增刊 (II 赵波 , 等 :基于改进双电流探头法的 E M I 噪声源内阻抗测量 分别选取阻值为阻值 200的电阻 、 容值为 5600pF 的电容以及电感为 1. 5H 的电感进行实验 , 以 验证在噪声源内阻抗呈阻性 、 容性和感性情况下该方法的正确性 . 实验结果如图 4(b (d 所示 .图

20、4 改进双探头法的实验装置及结果由图可以看出 , 采用改进双探头法测得的阻抗值与 VNA 测得的结果相近 . 特别地 , 随着频率的上升 , 由于双电流探头法存在线路损耗 , 使得测量值与实际值间的误差较大 , 利用改进双探头法测量得到的结果 则较为准确 . 该方法可以更好地解决短路线损问题 , 使整个频段内的测量结果更为准确 .2. 2 实验台的建立由于所要测量的 SM PS 工作于高电压状态下 , 而电流探头工作于低压范围内 , 因此需要建立相应的实 验装置使该方法可以测量 SM PS 噪声源内阻抗 .图 5(a 和 (b 分别为 SM PS 中 CM 噪声源内阻抗和 DM 噪声源内阻抗的

21、测量原理图 . 测试 CM 噪声 源内阻抗时 , 在 L ISN 与 SM PS 之间加 1个电感为 16m H 的 C oilcraft CM T 321622型共模扼流圈 ; 测试 DM 噪声源内阻抗时 , 在 L I SN 与 SM PS 之间加 2个电感为 350H 的 Z ion V SM 300型差模线圈 .图 5 噪声源内阻抗的测量原理图在图 5(a 中 , 2个 1F 的电容分别接在火线与地线 、 中线与地线之间 . 为了使电路的 Z i n 可进行重复测量并尽量保持恒定 , 这 2个电容必须固定在印刷电路板 (PCB 上 , 同时注入式和接收式电流探头也必须 固定在电路板上

22、. PCB 与测试设备间的连线必须尽量短 , 以减小导线布局引起的寄生效应 . 这种测试方法 的优点在于 , 一旦电路校准后 , 测得的 Z in 不仅适用于共模噪声源内阻抗测量 , 同样也适用于差模噪声源内 阻抗测量 , 从而大大提高测量速度 .2. 3 噪声源内阻抗的测量根据图 5建立实验装置 , 测量某 SM PS 噪声源内阻抗 , 结果如图 6所示 . 可以看出 , 噪声源的 CM 噪声09 东南大学学报 (自然科学版 第 39卷 源内阻抗随着频率上升而减小 , 呈容性 , 经拟合可知 CM 噪声源内阻抗由 1个 1. 2的电阻和 1个 450pF 的电容串联构成 ; DM 噪声源内阻

23、抗随着频率上升而增大 , 呈感性 , 经拟合可知 DM 噪声源内阻抗由 1个 15的电阻和 1个 1. 8H 的电感串联构成 . 获知 SM PS 的 CM /DM噪声源内阻抗后 , 即可进行针对性的 滤波器设计 .图 6 3 结语测量 E M I , 由于测量的是射频信号 , 测量电路中的测试线缆损耗较大 , 测量结果误差 也较大 . 本文对于采用短路测量方式的双电流探头法测量模型进行了改进 , 通过采用双阻抗法来减小其线 损 . 实验结果表明 , 这种改进的方法可以更加准确地测量噪声源内阻抗 , 进而更好地指导 E M I 滤波器的设计 .参考文献 (References1Internat

24、ional Electrotechnical C omm ission (IEC . C I SPR 1621Specification for radio disturbance and i m m unity m easuringapparatus and m ethods 2Part 121:radio disturbance and i m m unity m easuring apparatus 2m easuring apparatus S .G eneva:IEC Press, 2007.2Paul C R. Introduction to electro m agnetic c

25、o mpatibility M.2nd ed . N e w York:John W iley &Sons Inc, 2006:4142426.3L aszlo Tihanyi . Electrom agnetic com patibility in pow er electronicsM.N ew York:IEEE p ress, 1997:1212135.4Zhang D , C hen D Y, N ave M J, et al . M easurem ent of noise source i m pedance of off 2line converters .IEEE T

26、rans onPow er ElectronicsJ ,2000, 15(5 :8202825.5Schneider L M. N oise source equivalent circuit m odel for off 2line converters and its use in input filter design C /ProcIEEE E M C Sym posium. W ashington D C, 1983:1672175.6R an L , C lare J, B radley K . M easurem ent of conducted electrom agnetic

27、 em ission in P WM m otor drive system s w ithout theneed for an L I SN J .IEEE T rans on E M C, 1999, 41(1 :50255.7Hu B , See K Y, R ichard W C. Evaluation of ferrite core E M I supp ression under realistic w orking conditions C /The 19th International S ym posium on E M C. Zurich, Sw itzerland, 20