电磁干扰EMI噪声诊断技术

电磁干扰EMI噪声诊断技术第1页/共64页Paul网络和Guo网络的CM插入损耗(IL)和CM抑制比(CMRR)结果如图3-35所示

(a)实验的CM插入损耗

(b)仿真的CM插入损耗第2页/共64页(c)实验的CMRR(d)仿真的CMRR图3-35实验和仿真的共模、差模插入损耗和抑制比结果第3页/共64页从测试的性能曲线可以看出，随着频率的增加，插入损耗和噪声抑制比都呈现下降的趋势，特别是抑制比。插入损耗的变化通常不是很大，最好的插损小于1.5dB，插损最大可达5.2dB。然而，从低频段到高频段，CMRR特性下降非常快，并且不同网络间的特性也有很大差别。Guo的网络CMRR特性最好，在f=1MHz时最大可达85dB，并且最小仍保持在40dB左右。但对于其它网络来说，CMRR特性在30MHz时可能会低于30dB。可以得到这样的结论，由功率混合器组成的分离网络比基于变压器的分离网络特性要好些，因为它的杂散参数效应比较小，阻抗匹配特性比较好，这同样也与电路的分布有关。对于差模插入损耗和抑制比也可以得到同样的实验结果。同时发现，对于插入损耗和抑制比，实验和仿真的结果具有良好的一致性。这就意味着，在测试条件不便的情况下，仿真可以代替实验对网络的性能进行分析。第4页/共64页进一步的，为考虑分布电容对分离网络性能的影响，用仿真对Guo和Paul的网络作进一步研究。在仿真中，不管是Guo还是Paul的网络，电容的模型都是加在变压器的初级和次级线圈之间的，分布电容值设定为10pF。两个网络的差模抑制比（简称DMRR，以DM作为输入信号，CM作为输出信号）仿真结果如图3-36所示。很明显可以看到，Guo的网络在EMC规定的整个频段，在加入分布电容后，DMRR特性几乎没有发生任何变化。而Paul的网络在该频段则发生了很大的变化。这种现象表明，由变压器组成的Paul的分离网络对于分布参数的影响比较敏感，而由功率混合器组成的Guo的分离网络对分布参数的变化就不是那么敏感了。这说明Guo的网络具有较好的抗干扰性能，这与实验结果也一致。基于电路中元件精度对网络性能的影响，假设这里Guo和Paul的分离网络各自的输入电阻分别有5%,10%and15%的误差，仿真的DMRR特性如图3-37所示。很清楚可以看到，无论是Guo或是Paul的分离网络，当输入电阻的精度假定为5%时，网络的特性都没有发生变化。当输入电阻的精度假定为10%和15%时，可以得到相同的结果。因此，可以得到这样的结论：元件的精度问题对分离网络的特性影响很小。第5页/共64页图3-36考虑分布电容后网络DMRR仿真结果（Paul1，Guo1：不考虑分布电容影响）（Paul2，Guo2：考虑分布电容影响）

图3-37考虑电阻精度后网络DMRR仿真结果（Paul1，Guo1：不考虑电阻精度误差影响）（Paul3，Guo3：考虑电阻精度误差影响）第6页/共64页3．1．3噪声诊断技术应用实例 以某型风机调速系统为例，用Guo网络作为分离网络，进行实际传导电磁干扰(EMI)噪声诊断测试。风机调速系统参数为：单相，250W，AC-DC-AC结构，开关磁阻电机调速系统。现场测试装置如图3-38所示。图3-38开关磁阻电机调速系统的噪声分离特性现场测试图第7页/共64页该电机拖动系统产生传导性EMI噪声，经过线性抗稳定网络(LISN)进行噪声的提取，输入噪声分离网络进行噪声的诊断，而后由频谱分析仪(GSP-827)显示测量结果。在实验中通过改变多组开关磁阻电机的转速及转矩等参数，从而测量不同负载环境下该开关磁阻电机调速系统的传导电磁兼容特性。图3-39和3-40分别表示在两种状态下（转速407转/分，转矩0.1牛顿米，输入电压75V；转速407转/分，转矩1.2牛顿米，输入电压75V）的EMI总噪声、共模和差模噪声测量结果。(a)Total噪声(b)CM噪声

(c)DM噪声

图3-39转速407r/min,转矩0.1N·M,输入电压75V时电磁干扰噪声测量结果第8页/共64页实验结果表明，在不同频率段共模噪声和差模噪声各自占据主导地位，总噪声可近似为两种不同噪声模态分量在整个频率段上的叠加。比较而言，共模噪声分量在噪声幅值和频率分布上对总噪声构成的影响更大，该电机拖动系统传导性电磁干扰噪声主要集中在中低频段。可以看出，传导电磁干扰噪声分离网络可以有效地进行噪声诊断，效果良好，这将为噪声抑制和电磁兼容解决方案提供有益帮助。(a)Total噪声

(b)CM噪声(c)DM噪声

图3-40转速407r/min,转矩1.2N·M,输入电压75V时电磁干扰噪声测量结果第9页/共64页3．2传导性EMI噪声智能处理系统3．2．1传导性EMI噪声智能处理硬件系统图3-41是传导性EMI噪声智能处理系统的硬件测试示意图：主测量装置线阻抗稳定网络（LISN）为自行研发的装置，一端接商用电源，另一端接被测设备（EUT）。按国际标准进行的传导性电磁干扰测量系采用线阻抗稳定网络(LISN)，其只能提供电力线上的同时包含共模（CM）和差模（DM）叠加的混合干扰信号，而不同模态信号确定不同滤波器性能、拓扑结构与参数选取。因此在主测量装置的信号输出端获取被测设备的EMI噪声后，输入到共模CM/差模DM分离网络进行模态分离（这里采用Guo提出的分离网络）。分离网络的输出信号即研究所需的独立的CM、DM信号，输入至频谱分析仪（固纬GSP-827），而后由诊断软件对从频谱仪传送到计算机上的信号进行处理。该智能装置不仅可利用硬件提供独立的共模及差模分量，同时也利用软件为滤波器设计提供了有益的诊断信息。第10页/共64页图3-41传导性EMI噪声智能测试系统示意图第11页/共64页根据计算机软件提供的信息进行EMI滤波器的设计，而后完成EMI滤波器的硬件制作，并将滤波器接入到智能测试系统中，如图3-42所示。主测量装置线阻抗稳定网络（LISN）一端接商用电源，另一端通过EMI滤波器后才接被测设备（EUT），这样可以抑制被测设备产生的电磁干扰噪声。在主测量装置的信号输出端获取被测设备的EMI噪声后，输入到共模CM/差模DM分离网络进行模态分离。分离网络的输出信号输入至频谱分析仪，而后由诊断软件对从频谱仪传送到计算机上的信号进行处理，判断是否满足EMC标准。图3-42传导性EMI噪声智能测试、抑制系统示意图第12页/共64页3．2．2传导性EMI噪声智能处理软件系统研制噪声诊断与抑制软件设计如图3-43所示，从硬件系统（包括LISN和分离网络DN）来的CM、DM和总噪声信号经频谱分析仪与计算机相连，并通过计算机内相应的软件将噪声信号读入。当计算机读入噪声信号后，首先将各噪声波形复现，而后对各噪声信号进行EMC测试，若各噪声都符合EMC标准且留有一定余量，则显示测试通过，并输出电磁兼容测试报告；否则显示测试失败，并计算各噪声超过EMC标准的幅度以及在哪些频率范围超标。若噪声超过EMC标准，必须进行噪声的抑制即滤波器的设计。首先明确系统的工作频率和要抑制的干扰频率；接着计算参数如插入损耗和转折频率；而后确定滤波器的级数，选择合理滤波器结构并确定滤波器各元件的参数；再进行电路建模和仿真，确定设计的滤波器理论上是否满足要求，否则重新设计滤波器结构；最后确定滤波器的硬件结构，包括元件布局和布线，屏蔽与接地结构等，完成硬件制作。第13页/共64页图3-43软件设计示意图第14页/共64页图3-44是该系统软件的第一个界面，由该界面可知：该软件系统共有六个主菜单：软件介绍、EMI噪声模态测量、测量结果分析、EMI滤波器设计、噪声抑制结果预测、电磁兼容测试报告。下面简单介绍每个菜单的功能。图3-44传导性EMI噪声分析处理系统软件的主界面第15页/共64页图3-45软件使用介绍相当于用户使用指南，它详细地介绍了每个功能菜单的作用。“EMI噪声模态测量”用来测量总噪声、共模噪声、差模噪声，并将测量结果与电磁兼容标准对比。“测量结果分析”提取EMC标准限制线上的噪声超调水平。“EMI滤波器设计”根据测量噪声结果提供滤波器设计的拓扑结构及其相关参数选择。“噪声抑制结果预测”用以显示加滤波器后的总噪声、共模噪声、差模噪声。“电磁兼容测试报告”对测试结果做系统的资料参考。当用户在第一次使用该软件系统时，通过浏览该界面的内容，可以很顺利的使用该软件。

第16页/共64页图3-45软件使用介绍界面第17页/共64页图3-46是EMI噪声模态测量界面，通过按不同的按钮，可以显示传导范围(10K-30M)内总噪声、共模噪声、差模噪声的测试结果，并可将其与美国FCC标准、欧洲CISPR标准、中国GB标准比较，看是否满足各标准。图3-46中显示的噪声波形是对一开关电源（AC/DC，960W）进行测试的结果。可见，在传导范围内，噪声明显超过图中红线标示的美国FCC标准。第18页/共64页图3-46EMI噪声模态测量界面第19页/共64页图3-47是测试结果分析界面，该界面用来显示经过分离网络模态分离之后测得的共模、差模噪声，并将其与各电磁兼容标准比较，如果超标，可显示超标的第一个频率点，超调量最大的频率点及最后一个超标的频率点，则三个频率点的超调量也可以直接得到。这为EMI滤波器的设计提供了必要的前提条件。对被测设备开关电源的EMI噪声模态测量如图3-47所示，可见其噪声不满足EMC标准，图中给出了超标的详细信息。第20页/共64页图3-47测量结果分析界面第21页/共64页图3-48是EMI滤波器设计的界面，在此界面上，用户可以选择滤波器的参数，包括类型，安全余量，同时还给出了滤波器类型选择的标准，所选的滤波器的拓扑结构可在界面上实时显示，共模和差模滤波器均有相应的拓扑结构，对于所选的滤波器拓扑结构中元器件的参数可以直接得到。第22页/共64页图3-48EMI滤波器设计界面第23页/共64页图3-49是噪声抑制结果预测界面，该界面用来显示经过噪声诊断和滤波器抑制后总噪声、共模噪声、差模噪声的波形、共模/差模分量各降低了多少个分贝及噪声经过处理的系统是否已满足了EMC标准等细节。由上述测试结果可见在传导性频率范围内，加滤波器后噪声比不加滤波器时的噪声明显得到抑制，且符合国际电磁兼容FCC标准，通过选择各个不同的标准，用户可以选择美国FCC标准、欧洲CISPR标准、或中国GB标准，并可见加滤波器后测得的噪声是否满足各电磁兼容标准。第24页/共64页图3-49噪声抑制结果预测界面第25页/共64页图3-50是电磁兼容测试报告界面，可实时显示检测时间，检测的结果是否满足FCC标准，并显示前面用户选择的滤波器的拓扑结构及其所选滤波器的参数等相关信息。图3-50电磁兼容测试报告界面第26页/共64页3．2．3传导性EMI噪声智能处理系统的应用作为传导性EMI噪声智能处理系统应用实例，将开关电源接一组（3个）500W，5Ω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EMI滤波器以此作为我们的检测对象。该系统由线阻抗稳定网络LISN，AC/DC，24V960W直流输出开关电源接一组（3个）500W，5Ω并联的电阻盘，由功率合成器构成的噪声分离网络及GSP-827频谱分析仪构成的EMI噪声智能诊断系统，由EMI滤波器构成噪声抑制系统，供电电源来用单相三线220V交流工频电源。实验装置如图3-51所示。第27页/共64页图3-51以开关电源拖带阻性负载为被测设备的实验装置图第28页/共64页根据测得的共模、差模噪声与EMC标准的对照情况，设计EMI滤波器结构如图3-52所示，图3-53是实验室研制的EMI滤波器实物图。图3-52EMI滤波器结构

图3-53实验室研制的EMI滤波器第29页/共64页图3-54是该系统中总噪声、CM和DM噪声的测试情况。对比可见，CM和DM噪声已得到明显的分离，总噪声中CM噪声占主导地位。从各噪声加与不加滤波器的对比可见，系统加入滤波器后对噪声显著的进行了抑制。不加滤波器时，总噪声在2.5MHz的频率点为90dBuV，CM噪声在3MHz的频率点为92dBuV，DM噪声保持在80dBuV左右；加入滤波器后，总噪声在2.5MHz的频率点下降至70dBuV以下，CM噪声在3MHz的频率点下降至70dBuV以下，DM噪声下降至70dBuV左右，各噪声都得到了显著的抑制。值得提出的是，由于滤波器各组成元件性能的影响，使得滤波器在高频时未能很好的发挥滤波作用，只能在10KHz-6MHz的范围对噪声进行有效抑制，如何提高滤波器的高频滤波性能仍是一个值得研究的重要问题。第30页/共64页不加滤波器加滤波器（a）总噪声第31页/共64页不加滤波器加滤波器（b）CM噪声第32页/共64页不加滤波器加滤波器

（c）DM噪声图3-54传导噪声的智能处理结果（纵坐标单位：dBuV）

第33页/共64页进一步的分析，以此作为智能测试系统的检测对象，其研究实验结果如下。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3-55所示，其中（a）图为原始混合噪声；（b）图为经过滤波之后的总噪声。图3-56为由诊断软件设计的共模滤波器滤波特性。图3-57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（a）图为原始共模噪声分量；（b）图为经过共模滤波器抑制之后的共模噪声。第34页/共64页(a)原始总噪声

(b)滤波之后的总噪声图3-55加与不加滤波器时的总噪声（无噪声分离网络）第35页/共64页图3-56共模滤波器滤波特性第36页/共64页(a)原始共模噪声分量

(b)滤波之后的共模噪声分量

图3-57加与不加滤波器时的共模噪声（有噪声分离网络）第37页/共64页图3-57（a）是噪声源不带有滤波器的实验结果，此处不需要给出DM噪声分量，因为它不是主要噪声，在噪声抑制中可以忽略。图3-56是涉及CM滤波器设计频率范围的滤波性能，此设计来源于前面描述的诊断软件，这里是理想的特性，且表明CM滤波器是带阻滤波器。图3-57（b）是利用合适的CM滤波器抑制噪声后的实验结果。可以看出通过滤波器可以很好地抑制CM噪声和总噪声，也证实了该传导性EMI噪声诊断与抑制智能装置系统可有效地解决EMI问题。实验结果表明，在不加噪声分离网络时，被测设备的原始混合噪声在多个频率点上均出现高于EMC标准限制线上的噪声超调，不符合电磁兼容标准，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。但是当加上噪声分离网络后，就可以清楚地看到CM和DM噪声特征与总噪声的关系。另一方面，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，即可以高效地实现噪声抑制，使得被测设备的传导性电磁干扰噪声最终满足电磁兼容（EMC）标准。无论是通过硬件还是软件，在解决传导性电磁干扰（EMI）的问题时，智能测试系统都发挥了重要而高效的作用。

第38页/共64页3．3电磁干扰EMI滤波技术3．3．1滤波技术概况EMI电源滤波器实际上是一种低通滤波器，它无衰减地把直流或50Hz工频的电源功率传送到设备上去，却大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备不受干扰；同时又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止进入电源，污染电磁环境，危害其他设备。但是，EMI电源滤波器不等同一般的低通滤波器，二者所关心的滤波器指标、使用环境等都是截然不同的。普通的低通滤波器关心幅频特性、相位特性、波形畸变等特性；而EMI滤波器更关心插入损耗、能量衰减等特性。从使用环境来看，一般低通滤波器工作电平低、工作电流较小，源端或负载端特性较单一；而EMI电源滤波器的工作电压高、额定工作电流大，并且要能够承受瞬时大电流的冲击，另外其源端特性、负载特性随其工作环境的不同变化较大。这些不同之处，使EMI电源滤波器的设计不能完全参照一般滤波器设计技术来实现。第39页/共64页3．3．2

EMI滤波器及插入损耗的定义电力电子装置产生的电磁噪声通过传导耦合产生的噪声电平，可以通过滤波电路使之减小到可以接受的水平。这类滤波电路统称为EMI滤波器，标准的EMI滤波器通常是由串联电感器和并联电容器组成的低通滤波电路。EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL（InsertionLoss）来衡量。插入损耗的定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。滤波器接入前后的电路如图3-58所示。（a）滤波器接入前

（b）滤波器接入后

图3-58表示插入损耗的方框图第40页/共64页第41页/共64页第42页/共64页上述例子说明了重要一点：某个滤波器的插入损耗同时取决于源和负载的阻抗，因此不能独立于终端阻抗而标称。大多数滤波器厂商都提供滤波器插入损耗的频响曲线，由于插入损耗取决于源和负载的阻抗，那么这些指标中如何假设源和负载的阻抗值呢？答案相当明显：假定RS=RL=50Ω，负载阻抗与相线和地线之间、中线和地线之间的LISN的50Ω阻抗相对应。那么源阻抗Rs是多少呢？我们不知道答案，因为源阻抗需要从产品电源输入端看进去，50Ω是令人怀疑的，而且需假定在传导发射测试的频率范围内为常数，所以使用厂家提供的插入损耗数据来评价滤波器在产品中的性能可能得不到理想的结果。第43页/共64页3．3．3常用滤波器结构按其频率特性，滤波器大致分为四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。图3-59给出了各种滤波器的频率特性曲线。图3-594种滤波器的频率特性曲线第44页/共64页反射式滤波器通常由电抗元件，如电感器和电容器组合而成，在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，在滤波器的阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，也就是对干扰电流建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗。反射式滤波器是通过把不需要的频率成分的能量反射回信号源而达到抑制的目的。1、低通滤波器低通滤波器是电磁兼容技术中用的最多的一种滤波器，用以控制高频电磁干扰。例如电源线滤波器：当直流或市电频率电流通过时，没有明显的功率损失，而对高于这些频率的信号进行衰减。按照其电路形式可作如下分类：第45页/共64页（1）并联电容滤波器如图3-60所示，用来旁路高频能量，流通期望的低频能量或信号电流。其插入损耗为：

(3-16)

图3-60并联电容滤波器

图3-61并联电容滤波器的响应特性

第46页/共64页式中，是频率，单位Hz；C是电容量，单位是F；R是连接滤波器两端的电阻，单位是Ω。图3-61是其理想频率特性。但由于实际的电容器引线上存在电感，因此其衰减特性是LC串联网络的衰减曲线。在某一频率上会发生谐振（谐振频率R），超过谐振点之后，电容器呈现电感的阻抗特性，即频率越高，阻抗越大。当干扰频率超过谐振点之后，频率越高，滤波效果越差。在实际工程中必须考虑该因素。要滤除高频的电磁干扰，一定要使电容器的谐振频率R高于干扰频率。有时也利用电容的这个特性对特定频率的干扰进行有效的滤波：即通过调整谐振点，使谐振点在干扰频率附近。图3-62是其实际频率特性。第47页/共64页提高谐振频率的方法是减小引线电感和电容。但有时为了滤除频率较低的干扰信号必须使用较大的电容。因此减小引线电感是最有效的方法。图3-62并联电容滤波器的实际响应特性第48页/共64页（2）串联电感滤波器如图3-63所示，其插入损耗为：

(3-17)式中，是频率，单位Hz；L是电感量，单位是H；R是接在滤波器两端的电阻，单位是Ω。图3-64是其理想频率特性。图3-63串联电感滤波器

图3-64串联电感滤波器的响应特性

第49页/共64页图3-65串联电感滤波器的实际响应特性第50页/共64页实际的电感绕组中总是存在电阻和电容的，因此实际电感可以等效为电感与电阻串联再与电容并联。电感与寄生电容会形成并联谐振，在谐振点，阻抗非常大，因此滤波器的插入损耗非常大。在谐振点以上，电感呈现容性，随着频率升高而降低。因此一般电感的高频滤波性能不是很好。也可以利用谐振点上阻抗很大的特性，对特定频率的干扰进行有效的抑制。电感可以是空心的，也可以绕在高导磁率材料上，如铁氧体、铁镍合金等。空心电感最大的好处是不会发生饱和，同时电感量随频率稳定。但由于磁力线发散到空间，会造成较强的干扰。带磁芯的电感由于磁力线集中在磁芯上，因此对外界的干扰较少。但正是由于这一特性，它容易受到外界干扰的影响（在磁芯上集中了更多的外界磁场，从而在磁芯中产生了更大的感应电动势）。另外，当流过电感的电流较大时，磁芯会发生饱和，并且电感量随频率和工作电流变化。显然，当源阻抗与负载阻抗很高时，电容滤波器最有效，而当源阻抗与负载阻抗很低时，则效果最差。正相反，当源阻抗与负载阻抗很低时，电感滤波器最有效，而当源阻抗与负载阻抗很高时，效果最差。因此设计一个合适的滤波器需要知道干扰源阻抗及受害负载阻抗。第51页/共64页（3）L型（LC）滤波器L型滤波器如图3-66所示，若源阻抗与负载阻抗相等，L型滤波器的插入损耗与电容器C接入线路的方向无关。当源阻抗与负载阻抗不等时，则将电容器C并接于更高的阻抗，可获得最大的插入损耗。图3-66L型滤波器第52页/共64页当源阻抗与负载阻抗相等时，其插入损耗为：

(3-18)标准L型滤波器的插入损耗特性如图3-67，与单元件的电容器或电感器滤波器相比，LC滤波器高频时滤波效果更好。

图3-67源阻抗与负载阻抗相等时L型滤波器的插入损耗特性第53页/共64页（4）Π型滤波器Π型滤波器如图3-68所示，是实际中使用最普遍的形式，有制造简单、在宽频带范围内有较高的插入损耗等优势，但抑制瞬态干扰不是十分有效。Π型滤波器的插入损耗为：

(3-19)图3-68Π型滤波器图3-69Π型滤波器的插入损耗特性

第54页/共64页（5）T型滤波器T型滤波器如图3-70所示，能够有效抑制瞬态干扰，主要缺点是需要两个电感器，滤波器尺寸增大。T型滤波器的插入损耗为：

(3-20)图3-70T型滤波器图3-71T型滤波器的插入损耗特性

第55页/共64页2、高通滤波器高通滤波器主要用于从信号通道中排除交流电源频率以及其它低频外界干扰，高通滤波器的网络结构与低通滤波器具有对称性，可由低通滤波器转换而成。当把低通滤波器转换成具有相同终端和截止频率的高通滤波器时，其转换方法为：（1）把每个电感L（H）转换成数值为（F）的电容C；（2）把每个电容C（F）转换成数值为（H）的