基于改进双电流探头法的EMI噪声源内阻抗测量图文精.docx

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基于改进双电流探头法的EMI噪声源内阻抗测量图文精

第39卷增刊（II

2009年11月

　东南大学学报（自然科学版JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY（NaturalScienceEdition　Vol.39Sup（IINov.2009

　　　　　　基于改进双电流探头法的EMI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EMI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EMI噪声源接入测试回路,重复上述测试步骤,测EMI噪声源内阻抗的幅值与相位,对AC2DC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（II20087205

EMInoisesourceimpedancemeasurementbasedonmodified

dual2current2probeapproach

ZhaoBo1,2　FengZhiming2　ZhaoMin1　ShuiLimin2　YaoMin

1（1CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing200016,China

（2JiangsuInstituteofMetrology,Nanjing210007,ChinaAbstract:

Amodifieddual2current2probeapproachappliedtotheelectromagneticinterference（EMInoisesourceimpedancemeasurementisproposed.First,theEMIsourceimpedanceundertestisreplacedbytwostandardresistancesorshort2circuited.Theinputvoltagesoftheinjectionprobeandtheoutputvoltagesofthetestprobeinthethreecircuitsaremeasured,andthreecircuitequationsareobtained.Theamplitudesandphasesoftheequivalentimpedancescanbecalculatedbysolvingthethreeequations.Then,theEMInoisesourceisconnectedtothetestloop.TheamplitudesandphasesoftheEMInoisesourceimpedancesareacquiredbytheabovesteps.Theexperimentalresultsareclosetothosebyavectornetworkanalyzer.Moreover,theanalysisresultsofthenoisesourceimpedanceofanAC2DCswitchmodepowersupplyshowthatwiththeincreaseofthefrequency,thecommonmodeimpedancedecreaseswhilethedifferentmodeimpedanceincreases.

Keywords:

electromagneticcompatibility;electromagneticinterference;noisesourceimpedance;

dual2current2probeapproach

　收稿日期:

2009211220.　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,zhaomin@nuaa.edu.cn.　基金项目:

国家质检总局科技计划资助项目（2008QK104.

在电磁兼容（electromagneticcompatibility,EMC标准规定的传导电磁干扰（electromagneticinterference,EMI测量设置中,被测设备（equipmentundertest,EUT的电磁噪声由线性阻抗稳定网络（lineimpedancestabilizationnetwork,LISN测得,其阻抗特性被严格规范[1],测量结果只含有9~30MHz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,EUT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EMI噪声.因此,对EUT中传导EMI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

（commonmode,CM扼流圈和并联差模（differentialmode,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（pulsewidthmodulation,PWM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PWM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.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（switched2modepowersupply,SMPS为例,量进行理论分析.根据传播路径的不同,SMPSDM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　测试原理

该方法采用2[9].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,SMPS在EMC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Zx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Vw注入到注入式电流探头时,电路中产生电流Iw,通过频谱分析仪可以检测到Iw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,Vsig和Zsig分别表示信号发生器的输出电压

和噪声源内阻抗,Ip表示注入式电流探头的输入电流,Lp,Lw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Iw,则

Vsig=（Zsig+jwLpIp-jwMIw

（1VM=-jwMIp+jwLwIw（2

由式（1和（2可得Vw=VM1-ZM1Iw

（3式中,ZM1=-[jwLw+（（wM2/Zsig+jwLp],VM1=-[jwM/（Zsig+jwLp]Vsig.

式（3表明,aa′端的注入式电流探头可以用等效的电压源VM1和电压源噪声源内阻抗ZM1代替,如图2（b所示.ZM2表示检测式电流探头导致的互感,则

VM1=（ZM1+ZM2+ZC+ZxIw（4

88　　　　　　东南大学学报（自然科学版　　　　　　　　　　　　　第39卷

令Zin=ZM1+ZM2+ZC,则式（4可简化为

VM1=（Zin+ZxIw（5

由式（5可知,未知阻抗Zx可表示为

ZxVM1

Iw-Zin（6

检测式电流探头中通过的电流为

IwVp2

ZT2（7

式中,Vp2表示检测式电流探头测得的电压;ZT2表示校准此探头后的转移阻抗.

将VM1=-[jwM/（Zsig+jwLp]Vsig和式（7代入式（6中可得

Zx=-jwMVsigZsig+jwLpZT2Vp2

-Zin（8令K=-jwMZT2/（Zsig+jwLp,则式（8可简化为

Zx2-in（

9

KVsig是一个固定系数.如果有一已知阻值的高精度电阻Rstdin|,Zx,则固定系数KVsig可通过下式得到:

KVsig≈RstdVp2Zx=Rstd（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Zin的测试可按文献[9]的方法,即将Zx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=Zin+Zsmall（11将一个微小电阻接入测试回路,可得

ZinKVsigVp2Zx=Zsmall-ZsmallRstdVp2Zx=RstdVp2Zx=Zsmall-Zsmall（12在准确测量Zin的基础,对噪声源内阻抗进行测量,将Zx处接上待测设备,则噪声源内阻抗为

Zx-Zsmall=

KVVp2Zx=ZSMPS-Zin=RstdVp2Z=RVp2Zx=ZSMPS-RstdVp2Z=RVp2Zx=Zsmall

（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Zx.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Rstd=500Ω,选取10Ω的电阻作为用来减小线损的微小电阻,选择泰克公司的CT1和CT2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（vectornetworkanalyzer,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.

9

8增刊（II赵波,等:

基于改进双电流探头法的EMI噪声源内阻抗测量

分别选取阻值为阻值200Ω的电阻、容值为5600pF的电容以及电感为1.5μH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SMPS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SMPS噪声源内阻抗.

图5（a和（b分别为SMPS中CM噪声源内阻抗和DM噪声源内阻抗的测量原理图.测试CM噪声源内阻抗时,在LISN与SMPS之间加1个电感为16mH的CoilcraftCMT321622型共模扼流圈;测试DM噪声源内阻抗时,在LISN与SMPS之间加2个电感为350μH的ZionVSM300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1μF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′in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.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Zin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SMPS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1.2Ω的电阻和1个450pF的电容串联构成;DM噪声源内阻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15Ω的电阻和1个1.8μH的电感串联构成.获知SMPS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EMI,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EMI滤波器的设计.

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4082411.19增刊（II赵波,等:

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