电磁干扰(EMI)噪声诊断技术(2)

•3．1．2电路仿真对噪声硬件分离网络分离特性的理论研究•以Paul和Guo的网络作为例子进行分离特性的研究，测试原理和实验的装置如图3-33和图3-34所示。噪声源是由信号发生器（HP8753C网络分析仪）和0o/180o分相器（Mini-CircuitR产品）组成，以产生模拟的共模或差模噪声，作为分离网络的输入信号。网络输出端分离出来的噪声将输入到EMI接收器中（HP85047AS-参数测试），以进行噪声的观测和诊断。图3-33EMI噪声分离网络特性测试的原理图3-34系统测试照片•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(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•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。•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。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）•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•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•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。图3-41传导性EMI噪声智能测试系统示意图•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•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。线阻抗稳定网络（总噪声）分离网络（共模噪声）分离网络（差模噪声）噪声数据的读入EMI噪声波形再现EMC标准的对照EMI滤波器设计噪声结果预测电磁兼容测试报告符合不符图3-43软件设计示意图•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•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。图3-45软件使用介绍界面•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。图3-46EMI噪声模态测量界面•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。图3-47测量结果分析界面•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。图3-48EMI滤波器设计界面•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。图3-49噪声抑制结果预测界面•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•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。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•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•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