CN103278713A - 一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法。具体步骤如下：（1）采用一个电流驱动共模辐射模型,首先通过测量电路模型中信号线与地层之间的高度、信号线与板子边缘的最短距离，估算出电流通路的分布电感；其次通过分布电感和电路中差模电流得到每个信号线的电位差；最后，得到只有一根电缆连接在板子上时，距离3m处的最大辐射场；（2）利用标准3m法电波暗室以及电磁干扰接收机对电流驱动共模辐射模型进行辐射骚扰标准测试；（3）采用方差法对电流驱动共模辐射模型测量出的数据3m法电波暗室标准测试的结果补偿。本发明能够提升电流驱动模型预估辐射电磁干扰噪声精度，为辐射电磁干扰噪声诊断与辐射电磁干扰噪声整改提供有效借鉴。

Description

一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法

技术领域

本发明涉及的是通过对高速PCB电路参数分析进而预估电路近场辐射特性的方法，具体说是基于电磁参数测量的高速PCB电路电磁辐射特性预估与校准方法，为辐射性电磁干扰（EMI）噪声的机理判断以及抑制提供前提，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

电子产品正面向高速化、数字化、智能化发展，系统的设计也越来越复杂，电力电子设备中元件产生的系统寄生参数，致使设备遭受传导性干扰和辐射型干扰愈加严重，而且对系统抗电磁干扰能力的要求越来越高。

辐射干扰源预估研究方面，电磁兼容标准采用电波暗室测量噪声源产生的辐射干扰，能够直接得到总体辐射电磁场场强。Paul研究了辐射线缆共模电流频率效应的影响;See也提出了辐射线缆共模电流分段处理模型，提高了模型精度;Hernando利用电磁场数值分析方法实现辐射目标重构，该方法在理论上能保证分析结果可靠性，且对多辐射源和复杂环境分析具有较好适应性。以上辐射源预估方法，虽然能较好地描述辐射源产生的电磁干扰噪声，但尚存在以下问题：①未充分考虑近场、感应场效应及环境背景噪声对PCB分布电容、电感以及辐射线缆输入电容的影响；②未考虑辐射线缆共模电流频率效应对重构精度的影响；③未考虑辐射线缆长度与辐射噪声波长特性对线缆共模阻抗的影响。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于研究一种基于电路参数测量的电流驱动共模辐射干扰预估方法，并在此基础上对预估结果进行数据校准拟合。该方法直接测量电路参数，通过电路参数分析电路中的共模辐射干扰的相对强弱以及电路空间电磁场变化规律。

本发明采用的技术方案如下：

一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法，具体过程如下：

步骤1，基于电路参数的电流驱动共模辐射预估：采用一个电流驱动共模辐射模型,首先通过测量电路模型中信号线与地层之间的高度h_t、信号线与板子边缘的最短距离dist1和dist2，估算出电流通路的分布电感L_p，如下式所示：

$L_p=\left(\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}\right)\frac{{\mathrm{\μ}}_0{l}_t{h}_t}{\mathrm{dist}1+\mathrm{dist}2}---\left(1\right)$

其次，通过分布电感L_p和电路中差模电流I_DM得到每个信号线i的电位差为：

$V_{\mathrm{ret},i}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ωL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i},& \mathrm{\ω}\≤\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\\ \frac{{\mathrm{\πcL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},& \mathrm{\ω}>\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，c是自由空间的传播速度，l_t是回路长度，ε_r是介电常数，L_p是分布电感，I_DM是差模电流；

最后，根据上述结果，当只有一根电缆连接在板子上时，距离3m处，由电缆和电路板之间的电流驱动电压引起的最大辐射场如下：

$\left|E_{\mathrm{cable}-\mathrm{to}-\mathrm{board}}\right|=0.365\frac{{100V}_{\mathrm{ret}}}{\sqrt{{100}^2+\frac{1}{{\left({\mathrm{\ωC}}_B\right)}^2}}}---\left(3\right)$

其中，C_B是的线缆输入电容，即可得出共模辐射噪声；

步骤2，利用标准3m法电波暗室以及电磁干扰接收机对电流驱动共模辐射模型进行辐射骚扰标准测试；

步骤3，基于方差法的误差校准：采用公式（4）方差法将步骤1的预估结果校准到步骤2的3m法电波暗室标准测试的结果上：

$S=\frac{1}{n}[{(X_1-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_2-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_3-\stackrel{\‾}{X})}^2+\·\·\·+{(X_n-\stackrel{\‾}{X})}^2]---\left(4\right)$

式中：n表示误差数据的数量；X_n为多项式校准模型计算值与3m法电波暗室标准测试结果各频点对应的误差值；

为数据的平均值。

所述电流驱动共模辐射模型由5V电压源、10Mhz晶振、回路电阻为50Ω和长度分别为1m的辐射线缆组成。

本发明的有益效果是能够提升电流驱动模型预估辐射电磁干扰噪声精度，为辐射电磁干扰噪声诊断与辐射电磁干扰噪声整改提供有效借鉴。

附图说明

图1是本发明电流驱动共模辐射机理模型。

图2是本发明信号电流波形。

图3是辐射EMI测试与预估结果：（a）电波暗室测试结果，（b）电流驱动模型预计结果。

图4是电流驱动模型辐射EMI噪声校准前后对比图：（a）校准前的对比图，（b）校准后的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

本发明的方法是先对电流模型进行预估，然后利用方差法将电流模型预估结果校准到电波暗室测试结果上。具体如下：

1、基于电路参数的共模辐射预估原理

PCB板的宽度有限，因此，一部分由信号电流产生的磁场包围在电路板周围，且在回路平面上存在一个电压降。这一压降将会引起共模电流，驱动电路板上的各种部件和电缆。

图1描述了电缆到电路板的电流驱动共模辐射机理。V_CM由差模信号电流I_DM引起，该V_CM又引出一个电缆和右半个电路板之间的电流I_DM。

通过逼近电流通路的分布电感估算信号线产生的V_CM为：

$L_p=\left(\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}\right)\frac{{\mathrm{\μ}}_0{l}_t{h}_t}{\mathrm{dist}1+\mathrm{dist}2}---\left(1\right)$

h_t是信号线到返回面的高度，dist1和dist2是两个从信号线的中心到板子边缘的最短距离，

每个信号线i的电位差为：

$V_{\mathrm{ret},i}={\mathrm{\ωL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i}---\left(2\right)$

通过公式（2）可知PCB特征阻抗与信号频率成正比。这一关系在电小尺寸时有意义，但是当不是电小尺寸时该电压将达到最大值，这个最大值发生在负载电流信号1/4波长时。因此，公式（2）修改为

$V_{\mathrm{ret},i}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ωL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i},& \mathrm{\ω}\≤\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\\ \frac{{\mathrm{\πcL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},& \mathrm{\ω}>\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，c是自由空间的传播速度。

各个设备的电流默认为三角波形，如图2所示。

信号线上的电流频谱计算为：

$I_{\mathrm{DM}\left(n\right)}=\frac{{2I}_{p1}}{t_1}\frac{{\sin }^2({\mathrm{n\πt}}_1/T)}{{({\mathrm{n\πt}}_1/T)}^2}-{(-1)}^n\frac{{2I}_{p2}}{t_2}\frac{{\sin }^2({\mathrm{n\πt}}_2/T)}{{({\mathrm{n\πt}}_2/T)}^2}---\left(4\right)$

板子上的总电位差为每根信号线上压差之和：

$V_{\mathrm{ret}}=\sqrt{{\mathrm{\ΣV}}_{\mathrm{ret},i}^2}---\left(5\right)$

当只有一根电缆连接在板子上时，在距离三米处的最大辐射场是由电缆和电路板之间的电流驱动电压引起的：

$\left|E_{\mathrm{cable}-\mathrm{to}-\mathrm{board}}\right|=0.365\frac{{100V}_{\mathrm{ret}}}{\sqrt{{100}^2+\frac{1}{{\left({\mathrm{\ωC}}_B\right)}^2}}}---\left(6\right)$

C_B是的线缆输入电容。至此，即可得出共模辐射噪声,如图3所示。

2、基于方差法的误差校准方法

为了解决预估结果与标准3m暗室测量结果在数值上差距较大的问题，采用公式（7）方差法对电流驱动共模模型测量出的数据相与3m法电波暗室标准测试的结果补偿。

$S=\frac{1}{n}[{(X_1-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_2-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_3-\stackrel{\‾}{X})}^2+\·\·\·+{(X_n-\stackrel{\‾}{X})}^2]---\left(7\right)$

式中：n表示这组误差数据的数量；x_n为多项式校准模型计算值与3m暗室标准检测结果各频点对应的误差值；

为这组数据的平均值。

校准后，基于电流驱动模型的辐射源在空间引起的最大辐射场计算公式变为：

$\left|E_{\mathrm{cable}-\mathrm{to}-\mathrm{board}}\right|=0.365\frac{{100V}_{\mathrm{ret}}}{\sqrt{{100}^2+\frac{1}{{\left({\mathrm{\ωC}}_B\right)}^2}}}+S---\left(8\right)$

通过公式（8），可得校准后电流驱动模型辐射源预估结果与校准前预估结果对比将如图4所示。蓝色实线均为3m暗室标准检测结果，红色的虚线分别为校准前与校准后的结果。

实现的具体步骤为：

（1）在实际应用中，设计一个由5V电压源、10Mhz晶振、回路电阻为50Ω，辐射线缆长度分别为1m的电流驱动辐射模型，电路模型如图1所示，描述了连接到电路板的线缆的电流驱动CM辐射模型机理。由于PCB板的宽度有限，因此，一部分由信号电流产生的磁场将包围在电路板周围，且在回路平面上存在一个电压降。这一压降将会引起共模（CM）电流，驱动电路板上的各种元器件和线缆工作。V_CM由差模信号电流I_DM引起，该V_CM又引出一个电缆和右半个电路板之间的电流I_DM。

（2）利用江苏省计量院ETS-Lindgren公司标准3m法电波暗室以及德国罗德施瓦茨公司（R&S）ESU26电磁干扰接收机进行辐射骚扰（RE）标准测试，测试结果如图3（a）所示。

（3）根据公式（6）计算电流驱动模型远场辐射电磁干扰噪声，结果如图3（b）所示。

（4）根据公式（8）校准公式（6）的预估结果，对比结果如图4（a）,4（b）所示。

不难看出，校准前的预估结果与3m暗室结果整体的趋势是相符合的，但是误差较大；经过方差法的校准后，不单单趋势吻合，准确度也大大得到了提升，证明了方差法校准的有效性。

Claims (2)

1.一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法，具体过程如下：

步骤1，基于电路参数的电流驱动共模辐射预估：采用一个电流驱动共模辐射模型,首先通过测量电路模型中信号线与地层之间的高度h_t、信号线与板子边缘的最短距离dist1和dist2，估算出电流通路的分布电感L_p，如下式所示：

$L_p=\left(\frac{4}{{\mathrm{\π}}^2}\right)\frac{{\mathrm{\μ}}_0{l}_t{h}_t}{\mathrm{dist}1+\mathrm{dist}2}---\left(1\right)$

其次，通过分布电感L_p和电路中差模电流I_DM得到每个信号线i的电位差为：

$V_{\mathrm{ret},i}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ωL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i},& \mathrm{\ω}\≤\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\\ \frac{{\mathrm{\πcL}}_{p,i}{I}_{\mathrm{DM},i}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},& \mathrm{\ω}>\frac{\mathrm{\πc}}{{2l}_t\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，c是自由空间的传播速度，l_t是回路长度，ε_r是介电常数；

最后，根据上述结果，当只有一根电缆连接在板子上时，距离3m处，由线缆和电路板之间的电流驱动电压引起的最大辐射场如下：

$\left|E_{\mathrm{cable}-\mathrm{to}-\mathrm{board}}\right|=0.365\frac{{100V}_{\mathrm{ret}}}{\sqrt{{100}^2+\frac{1}{{\left({\mathrm{\ωC}}_B\right)}^2}}}---\left(3\right)$

其中，C_B是的线缆输入电容，即可得出共模辐射噪声；

步骤2，利用标准3m法电波暗室以及电磁干扰接收机对电流驱动共模辐射模型进行辐射骚扰标准测试；

步骤3，基于方差法的误差校准：采用公式（4）方差法将步骤1的预估结果校准到步骤2的3m法电波暗室标准测试的结果上：

$S=\frac{1}{n}[{(X_1-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_2-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(X_3-\stackrel{\‾}{X})}^2+\·\·\·+{(X_n-\stackrel{\‾}{X})}^2]---\left(4\right)$

式中：n表示误差数据的数量；X_i为多项式校准模型计算值与3m法电波暗室标准测试结果各频点对应的误差值；

为数据的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种电流驱动模型的辐射源预估与校准方法，其特征在于，所述电流驱动共模辐射模型由5V电压源、10Mhz晶振、回路电阻为50Ω和长度分别为1m的辐射线缆组成。

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