CN103608687A - 噪声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于交流或直流电源的噪声传感器。所述传感器包括噪声感测单元和噪声分离器。噪声分离器配置为接收第一、第二和第三输入信号，并且提供对共模噪声加以表示的第一输出信号和对差模噪声加以表示的第二输出信号。噪声感测单元包括第一电容性元件、第二电容性元件、第一电阻性元件和第二电阻性元件。

Description

噪声传感器
技术领域
本发明涉及噪声传感器领域，具体地而非排他地，涉及一种提供对共模噪声加以表示的第一输出信号和对差模噪声加以表示的第二输出信号的噪声传感器。
背景技术
电磁兼容性是电子设备的重要问题，例如以便与国际标准兼容。此外，数字电路中增电磁噪声敏感度可能对于电磁兼容的重要性有贡献。
可以将电力线上的噪声表达为参考保护用地线(protective earth)的电势差。在电源中具有两条电力线和接地线，这种瞬变噪声可能包括共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。CM噪声是与大地相比较在两条电力线上都存在的电势。DM噪声可以表达为与大地相比较在电力线的每一条上存在的相反幅度的电势。在典型的应用中，CM和DM噪声都存在。
电磁兼容性是电子设备的重要问题，例如以便与国际标准兼容。此外，数字电路中增电磁噪声敏感度可能增加保持电容性的重要性。有源EMI滤波器可以提供用于保持电磁兼容性的解决方案。
不应该将现有公布文件或说明书中的任意背景技术中的列举或讨论看作是承认所述文件或背景技术是现有技术或者公知常识。
发明内容
根据本发明的一个方面，提出了一种噪声传感器，具有用于从电源接收信号的第一功率端子、第二功率端子和第三功率端子，所述噪声传感器包括：
噪声分离器，具有第一输入、第二输入、第三输入、第一输出和第二输出，第一输出用于提供对共模噪声加以表示的第一输出信号，第二输出用于提供对差模噪声加以表示的第二输出信号；以及
噪声感测单元，其中所述噪声感测单元包括：
第一电容性元件，所述第一电容性元件将噪声分离器的第一输入与第一功率端子相耦合；以及
所述噪声感测单元还包括：
第二电容性元件，所述第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第二功率端子相耦合；
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第一输入与第三功率端子相耦合；以及
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件将噪声传感器的第二输入与第三功率端子相耦合，
或者所述噪声感测单元包括：
第二电容性元件，所述第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合；
第二功率端子和噪声分离器的第三输入之间的耦合；
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第一输入与第二功率端子相耦合；以及
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件经由第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合。
本发明提出了一种组合的CM和DM噪声分离器，所述组合的CM和DM噪声分离器使用第一和第二电容性元件提供的信号来确定CM和DM噪声。电容性元件可以是廉价且较小的，并且不会强加与电感性传感器相同的带宽约束。
在其他示例中，可以使用电阻器来代替电容器。然而，这引入了功率损耗，因此不是优选的。同样，使用电容性元件作为感测元件相对于使用现有技术中看到的电感性部件是有利的。
第一和第二电阻性元件的提供允许通过噪声感测单元测量电压。提供第一和第二电阻性元件所提供的一个优势是电阻性元件两端电势差的测量减小了电容性元件对于测量信号的容限。
另一个优势在于噪声分离器可以提供补偿电路内的CM和DM噪声两者所要求的所有信息。
噪声分离器的第一输入可以配置为接收电流或电压输入信号。噪声分离器的第二输入可以配置为接收电流或电压输入信号。噪声分离器的第一输出可以配置为提供电流输出信号。噪声分离器的第二输出可以配置为提供电流输出信号。
噪声分离器的第一输出可以配置为提供电压输出信号。噪声分离器的第二输出可以配置为提供电压输出信号。
传感器的输出可以提供给配置为至少部分地对电源中的共模噪声和／或差模噪声进行补偿的装置。
代替无源噪声补偿，有源噪声补偿可以允许在空间和效率方面改进性能的装置。本发明实施例提供的分离的CM和DM噪声信号可以适用于使能经由反馈和／或前馈来补偿噪声。
电源可以是交流电源，所述交流电源可以是单相位交流电源。替代地，电源可以是直流电源。
噪声分离器的第一输入和第一功率端子之间的累积电抗可以是电容性电抗。噪声分离器的第二输入和第二功率端子之间的累积电抗可以是电容性电抗。噪声分离器的第二输入和第三功率端子之间的累积电抗可以是电容性电抗。这样，可以从感测单元中去除感应感测元件。同样地，感测单元的特征可以是其总电抗是电容性的。传感器可以不包括变压器或其他电感器。这里，术语电感器可以包括具有显著电感的线圈。具有本征电感的简单线连接不在这里描述的“电感器”的意思范围内，因为简单线连接的电感对于电路的滤波性质不会提供显著的贡献。
这里，术语耦合意思是两个元件之间的直接电连接。换句话说，耦合可以暗示两个元件之间的电流接触。
当用于AC电源时，第一功率端子可以是相位功率端子，第二功率端子可以是中性功率端子，而第三功率端子可以是接地功率端子。接地功率端子也称作保护用地线。当用于DC电源时，第一功率端子可以是正功率端子，第二功率端子可以是负功率端子，而第三功率端子可以是接地功率端子。在不影响一些实施例的噪声传感器操作的情况下，第一和第二功率端子可以互换。
第一电容性元件可以包括y-电容器。第二电容性元件可以包括y-电容器。y-电容器的提供对于本发明实施例的益处在于y-电容器可以用于高电压环境，因为y-电容器符合应用于这些系统的安全标准。
噪声传感器(可以称作电磁干扰传感器)可以实现为有源EMI滤波器的一部分，以便满足电子设备的EMI规章的要求。
噪声传感器的第三功率端子可以是用于从电源接收信号的接地端子。第一电阻性元件可以将噪声分离器的第一输入与接地端子、中性功率端子、或负功率端子相耦合。第二电阻性元件可以将噪声分离器的第二输入与接地端子相耦合。可以在第二或第三功率端子和噪声分离器的第三输入之间提供耦合。
第一电阻性元件的电阻可以实质上等于第二电阻性元件的电阻。第一电容性元件的电容可以实质上等于第二电容性元件的电容。与噪声分离器的第一和第二输入相耦合的部件值的等价性可以使能噪声分离器的内部设计的简化。这里，“实质上等于”意思可以是在0.1％、0.5％、1％、5％、10％或25％的范围内。
噪声分离器可以包括加法器。加法器的输入可以耦合至噪声分离器的第一输入和第二输入。加法器的输出可以耦合至噪声分离器的第一输出。噪声分离器可以包括减法器。减法器的输入可以耦合至噪声分离器的第一输入和第二输入。减法器的输出可以耦合至噪声分离器的第二输出。
加法器或减法器内的子单元的替代结构可以得出对CM和DM噪声加以表示的类似信号。
加法器可以是加法放大器。减法器可以是差分放大器。可以参考第三功率端子向放大器的电源馈电。本领域普通技术人员应该理解的是替代的部件可以适用于实现加法器和减法器。
噪声分离器还可以包括加法器的输出和噪声分离器的第一输出之间的输出放大器。噪声分离器还可以包括减法器的输出和噪声分离器的第二输出之间的输出放大器。
附加的放大在一些实施例中可以是有利的；具体地在将CM-DM噪声分离器的输出提供用于抵消或者部分抵消电路中的噪声分量的信号的情况下。
噪声分离器还可以包括第一输入放大器。第一输入放大器的输入可以耦合至噪声分离器的第一输入。第一输入放大器的输出可以耦合至加法器的第一输入。第一输入放大器的输出可以耦合至减法器的第一输入。
噪声分离器还可以包括第二输入放大器。第二输入放大器的输入可以耦合至噪声分离器的第二输入。第二输入放大器的输出可以耦合至加法器的第二输入。第二输入放大器的输出可以耦合至减法器的第二输入。
输入放大器的提供是有利的，因为输入放大器可以提供感测单元和分离器之间的去耦合。噪声分离器的第一输入可以配置为接收电压输入信号。噪声分离器的第二输入可以配置为接收电压输入信号。
第二电容性以及可以与第二电阻性元件串联耦合，以将第三功率端子与噪声分离器的第二输入端子连接。
由于噪声传感器的噪声感测单元的结构，噪声传感器可以只包括一个y-电容器。第二电容性元件可以是y-电容器。该实施例的优势在于与需要在活动的电源线和保护性地线之间连接多于一个电容器的情况相比较，可以减小制造单元的成本。由于安全的原因，按照这种方式耦合的所有电容器都应该是y-电容器。因为一些实施例的第一电容性元件耦合两条活动的电力线、而不是耦合活动的电力线和地电势，其不需要是y-电容器。
噪声分离器可以根据在其第一输入处接收的信号在其第一输出处提供信号。第一输出处的信号可以是对DM噪声加以表示的信号。可以参考电源的第二功率端子来获取在噪声分离器的第一输入处接收的信号。这意味着可以将第二功率端子看作是输出参考线。术语“参考”可以采取与“参考其进行测量”的同样意思。
噪声分离器可以通过将从其第一输入得出的信号与从其第三输入得出的信号相加来提供器第二输出处的信号。第二输出处的信号可以是对CM噪声加以表示的信号。可以参考第二输入获取噪声分离器的第三输入处接收的信号。输出参考可以是第二功率端子。
可以通过放大器实现或执行噪声分离器的功能。每一个放大器可以提供增益，或者一个或多个放大器的增益可以是一致的(单位1？)。此外，放大器也可以对信号进行滤波和／或整形和／或相位校正。放大器可以用作缓冲器。可以参考第二功率端子对放大器的电源馈电。可以用参考DC总线的功率向CM-DM噪声分离器供电。这种特征也将这些实施例与现有技术相区分。
噪声分离器或其任意部件的输入阻抗可以是低阻抗或者有效地是0。替代地，噪声分离器或其任意部件的输入阻抗可以有效地无限高。
噪声感测单元可以只包括电容器或者只包括电容器和电阻器。噪声分离器可以实现为集成电路或者用分立部件实现。噪声感测单元可以设置在与噪声分离器相同的集成电路中。
噪声传感器可以只提供CM或DM输出信号。
可以提供一种噪声传感器，具有用于从电源接收信号的第一功率端子、第二功率端子和第三功率端子，所述噪声传感器包括：
噪声分离器，具有第一输入、第二输入、第三输入、第一输出和第二输出，第一输出用于提供对共模噪声加以表示的第一输出信号，第二输出用于提供对差模噪声加以表示的第二输出信号；以及
噪声感测单元，其中所述噪声感测单元包括：
第一电容性元件，所述第一电容性元件将噪声分离器的第一输入与第一功率端子相耦合；以及
所述噪声感测单元还包括：
第二电容性元件，所述第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第二功率端子相耦合；
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合；以及
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件将噪声传感器的第二输入与第三功率端子相耦合。
可以提供一种噪声传感器，具有用于从电源接收信号的第一功率端子、第二功率端子和第三功率端子，所述噪声传感器包括：
噪声分离器，具有第一输入、第二输入、第三输入、第一输出和第二输出，第一输出用于提供对共模噪声加以表示的第一输出信号，第二输出用于提供对差模噪声加以表示的第二输出信号；以及
噪声感测单元，其中所述噪声感测单元包括：
第一电容性元件，所述第一电容性元件将噪声分离器的第一输入与第一功率端子相耦合；
第二电容性元件，所述第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合；
第二功率端子和噪声分离器的第三输入之间的耦合；
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第一输入与第二功率端子相耦合；以及
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件经由第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合。
可以提供一种噪声传感器，具有用于从电源接收信号的第一功率端子和第二功率端子，所述噪声传感器包括：
噪声分离器，具有第一输入、第二输入、第三输入、第一输出和第二输出，第一输出用于提供对共模噪声加以表示的第一输出信号，第二输出用于提供对差模噪声加以表示的第二输出信号；以及
噪声感测单元，其中所述噪声感测单元包括：
第一电容性元件，所述第一电容性元件将噪声分离器的第一输入与第一功率端子相耦合；以及
第二电容性元件，所述第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第二功率端子相耦合。
可选地，也可以提供一下的一个或多个：
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第一输入与第三功率端子相耦合；
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合；
第二功率端子和噪声分离器的第三输入之间的耦合；
第一电阻性元件，所述第一电阻性元件将噪声分离器的第一输入与第二功率端子相耦合；以及
第二电阻性元件，所述第二电阻性元件经由第二电容性元件将噪声分离器的第二输入与第三功率端子相耦合。
可以提供一种计算机程序，当在计算机上运行时，所述计算机程序使计算机配置这里公开的包括电路、控制器、传感器、滤波器或装置的任意设备或者执行这里公开的任意方法。作为非限制性示例，所述计算机程序可以是软件实施方式，并且可以将计算机看作是任意合适的硬件，包括数字信号处理器、微控制器以及在只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中的实施方式。软件实施方式可以是汇编程序。
计算机程序可以设置在计算机可读介质上，所述计算机可读介质可以是诸如盘或者存储器件的物理计算机可读介质或者可以实现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是网络下载的，包括因特网下载。
附图说明
现在参考附图只作为示例进行描述，其中：
图1说明了通过将第一电力线和地线以及将第二电力线和地线相耦合的电容器的共模噪声电流分布；
图2说明了通过将第一电力线和地线以及将第二电力线和地线相耦合的电容器的差模噪声电流分布；
图3说明了通过将第一电力线和地线以及将第二电力线和地线相耦合的RC串联电路的共模噪声电流分布；
图4说明了通过将第一电力线和地线以及将第二电力线和地线相耦合的RC串联电路的差模噪声电流分布；
图5说明了共模和差模噪声传感器；
图6说明了用于交流电源的根据本发明实施例的共模和差模噪声传感器；
图7说明了共模和差模噪声分离器的功能图；
图8说明了用于直流电源的根据本发明实施例的功能图；
图9说明了根据本发明另一个实施例的共模和差模噪声传感器；
图10说明了用于交流电源的适用于实现图9所示的本发明实施例的电路图；以及
图11说明了用于直流电源的适用于实现图9所示的本发明实施例的电路图。
具体实施方式
本发明的一个或多个实施例涉及共模(CM)和差模(DM)噪声传感器，包括噪声感测单元和CM-DM噪声分离器。噪声感测单元可以包括两个电容器，所述电容器可以实质上相等。第一电容器可以耦合在电源的第一端子和CM-DM噪声分离器的第一输入之间。第二电容器可以耦合在电源的第二端子和CM-DM分离器的第二输入之间。
CM-DM噪声分离器可以对在其两个输入处接收的信号进行处理，并且提供对共模噪声加以表示的第一输出信号和对差模噪声加以表示的第二输出信号。
可以通过单独的感测单元感测CM噪声和DM噪声。一起执行两种噪声分量的感测，并且感测单元的元件不进行分离。随后可以通过噪声分离器分离CM和DM噪声信号，可以通过单独的集成电路(IC)有利地提供噪声分离器。由于CM和DM噪声直接按的关系，可以进行分离。
CM和DM噪声的本性使得可以通过执行加法和减法运算分离CM和DM噪声。来自每一个电容器的信号的相加导致了与CM噪声级别成正比的信号。从来自一个电容器的信号减去其他电容器提供的信号导致了与DM噪声级别成正比的信号。
在一些示例中，噪声感测单元也包括两个电阻器：第一电阻器，耦合在第一电容器与CM-DM噪声分离器的第一输入之间的节点和保护性地线之间；以及第二电阻器，耦合在第二电容器与CM-DM噪声分离器的第二输入之间的节点和保护性地线之间。
已知的是无源光纤可以用于减小电磁干扰(EMI)噪声。无源光纤可以是廉价且耐用的，但是当与执行器件的所需功能的部件所占用的空间相比较时占用印刷电路板(PCB)上的大量物理空间。此外，不能够忽略无源光纤的能耗，因此这种滤波器可能减小整个系统的效率。
可以将有源滤波器看作是在PCB空间占用和功率效率方面提供相对于无源滤波器的优势。为了主动地减小EMI噪声，必须检测要进行补偿的噪声信号。然而，可以认为纯噪声信号本身的感测对于有源滤波器不是足够的，因为两种类型的传导噪声(共模(CM)和差模(DM)噪声)要求不同的抵消或消除方法。因此，重要是感测或者确定在CM和DM之间的噪声分布，使得可以正确地考虑噪声。
在现有技术解决方案中，电感器后变压器用作CM和DM感测应用中的感测元件。可以通过电感器后变压器的不同绕组的特定结构来执行CM和DM噪声的分离。然而，按照这种方式使用电感性部件存在缺点。利用电感器或电抗线圈的一个问题是所获得的带宽。与传导噪声有关的EMI调制规定最高至高频(典型地30MHz)。这进而意味着噪声分离器必须在这些频率下工作。基于电感器的方案的另一个问题是难以获得这些部件行为的详细且精确的模型。需要分离器的模型以便设计用于有源EMI滤波器的控制器。此外，具有上述要求的这种变压器的生产也是技术上复杂的。
本发明的实施例可以解决现有技术解决方案经历的、使用电感性部件的现有技术噪声感测造成的问题。本发明的实施例对于有源EMI滤波器领域非常重要，因为它们可以实现用于电路内噪声抵消的更加有吸引力的提议。
本发明实施例的另一个优势是可以通过相同的感测单元一起处理CM和DM噪声。随后将信号分离。因此，只需要一个感测级，而不是现有技术中的两个(一个用于CM噪声，一个用于DM噪声)。
图1示出了用于讨论共模(CM)噪声分布的电路。图1的电路包括线路阻抗稳定网络(LISN)100，LISN是用于检测电磁干扰(EMI)的已知测量工具。只有当执行被测部件(未示出)的适应性测量时才要求LISN，并且在将器件与电源连接的正常操作期间不存在LISN。LISN确保了不会通过经历测试的器件将高频噪声提供给干线，并且被测部件经历正常干线电压和良好限定的线路阻抗。
在该示例和以下的示例中，LISN100说明为与交流电源相耦合。LISN100具有：相位输入102，与电源的相位输出连接；中性输入104，与电源的中性输出连接；以及保护性接地输入106。类似地，LISN100具有相位输出108、中性输出110和保护性接地输出112，所有这些都提供适用于后续对EMI的电力线进行测试的信号。
被测部件(未示出)可以与LISN100的相位输出108、中性输出110和保护性接地输出112连接。在装置的正常操作期间，在电路中不存在LISN100，并且装置将与干线电源直接连接。
LISN100包括各种电感性和电容性元件，所述电感性元件和电容性元件将LISN100的输入102、104、106上存在的任意噪声与提供给输LISN100的输出108、110、112的信号相隔离，并且可以可能在LISN100的输出108、110、112上存在的任意噪声与LISN100的输入102、104、106处的电源相隔离。LISN100对在一定频率范围(典型地150kHz和30MHz之间)的标准且良好限定的阻抗进行处理，以便允许被测部件特性的可再现测量，与干线电源条件无关。替代地，在将电容器114、116与电源(可以是干线电源)直接连接的情况下，可以从电路中去除LISN。
第一电容器114连接在LISN100的相位输出108和保护性接地输出112之间。第二电容器116连接在LISN100的中性输出110和保护性接地输出112之间。第二电容器116具有与第一电容器114相同的值。电容器114、116针对高频率提供高阻抗，显著地阻止了在干线电源中存在的大相位信号(典型地50或60Hz)，但是允许在他们的极板两端构建高频信号，例如CM噪声。对共模噪声加以表示的电流(I’CM)通过第一和第二电容器114、116流至保护性地线112。也就是说，第一和第二电容器114、116中的共模电流是同相的。因此，可以将保护性接地输出112中流过的电流看作是共模噪声的表示(ICM)。
图2示出了与图1相同的电路，并且将用于讨论差模(DM)噪声分布。
在图2中，对差模噪声(I’DM)加以表示的电流IC1从LISN的相位输出通过第一电容器214流向保护性地线212。与此同时，电流IC2从LISN的中性输出通过第二电容器216流向保护性地线212。电流IC2表示差模噪声(I’DM)，所述差模噪声从保护性地线212通过第二电容器216流向LISN的中性输出端子。在只存在DM噪声的情况下，通过第一和第二电容器214、216的两个电流IC1和IC2异相180°。
图3示出了与图1类似的电路，并且也将用于讨论共模(CM)噪声分布。除了图1的所有部件之外，图3包括第一电阻器318和第二电阻器320。第一电阻器318与LISN300的相位输出308和LISN300的保护性接地输出312之间的第一电容器314串联连接。类似地，第二电阻器320与LISN300的中性输出310和LISN300的保护性接地输出312之间的第二电容器316串联连接。两个电阻器318、320的增加使得能够测量电压。所述电压是由于LISN300或者干线电源的相应输出之间的噪声信号导致的。
按照与图1相同的方式，图3的第一和第二电容器314、316中的共模电流以及图3的电阻器R1318和R2320两端得到的电压VR1、VR2是同相的。
图4示出了与图3相同的电路，并且用于讨论差模(DM)噪声分布。按照与参考图2如上所述相同的方式，通过第一和第二电容器414、416的电流IC1、IC2以及电阻器R1418和R2420两端得到的电压异相180°。
本发明的实施例涉及用于执行组合的CM和DM检测的新CM-DM传感器。在各种实施例中，可以将检测的CM和DM信号馈送至有源EMI滤波器。在各种实施例中，一个输出可以将传递与感测的CM噪声成正比的放大信号，并且另一个输出可以提供与放大的DM噪声成正比的信号。通过感测单元一起测量CM和DM噪声，随后通过CM-DM噪声分离器进行分离。诸如电容器和电阻器之类的标准部件可以用于提供噪声感测和测量单元。在可以分离CM和DM噪声信号的情况下，噪声感测单元可以将输入提供给分离单元／部件。
现有技术的解决方案可能要去针对它们相应的CM和DM传感器的每一个的分离的感测元件。因此与这种系统相比较，本发明提供了减小的制造成本。
图5说明了噪声传感器500。噪声传感器500具有经由LISN501或者直接从干线电源从单相电源接收信号的第一功率端子518(在AC情况下可以称作相位功率端子)、第二功率端子520(在AC情况下可以称作中性功率端子)和保护性接地端子519。噪声传感器500具有第一输出501和第二输出502，所述第一输出提供对共模(CMO)噪声加以表示的第一输出信号，所述第二输出提供对差模(DM)噪声加以表示的第二输出信号。输出信号可以与CM和DM噪声成正比。
噪声传感器包括噪声感测单元502和噪声分离器504。噪声感测单元502具有第一输入，所述第一输入从噪声传感器500的第一功率端子518接收输入信号，并且耦合至第一电容器514的第一极板。第一电容器514的第二极板耦合至噪声分离器504的第一输入506。噪声感测单元502具有第二输入，所述第二输入从噪声传感器500的第二功率端子520接收输入信号，并且耦合至第二电容器516的第一极板。第二电容器516的第二极板耦合至噪声分离器504的第二输入507。在这一示例中，电容器可以是“y”类电容器，由于安全性考虑在高功率应用中要求“y”类电容器。电容器514、516的电容可以足够小以阻止低频(例如，dc、50Hz、100Hz)高电压信号进入CM-DM噪声分离器，并且可以足够高以让9kHz或150kHz以上的高频分量通过。因此，可以使用相对廉价的部件。例如，电容器514、516的电容范围可以从皮法到几个纳法。
第一和第二电容器514、516可以具有实质上相等的电容。这是有利的，因为其允许在假设噪声感测元件514、516提供等效噪声传导性质的情况下来设计噪声分离器504。这种假设简化了噪声分离器504的设计。
然而，“y”类电容器的容限趋向于相对较大；10％的容限对于“y”类电容器是相当常见的。更加昂贵的高精度电容器可以用于这样的实施例：即使较小的不对称性将导致噪声传感器500的性能的巨大劣化。
电容器514、516使能噪声电流在LISN501的相应输出端子518、520、519和噪声分离器504之间流动，以便允许噪声分离器504进行处理。与CM和DM噪声相关的这些噪声电流参考图1和图2如上所述。
噪声分离器504可以设置为集成电路(IC)，并且配置为对包括与在输入端506、507处接收的CM和DM噪声两者都相关的信息在内的信号进行处理，并且分别向第一和第二输出510、510提供针对CM噪声和DM噪声的分离的输出信号。该实施例中的噪声分离器504也耦合至受保护的接地端子519。下面参考图9提供噪声分离器504的实施方式的另外细节。
应该理解的是这里描述为耦合或者连接的任意部件可以直接或者间接耦合或连接。也就是说，一个或多个部件可以位于描述为耦合或连接的两个部件之间，同时仍然实现将要实现的功能。
图6说明了根据本发明实施例的噪声传感器600。图6的电路包括噪声感测单元602，所述噪声感测单元具有与图5的相应部件类似的第一电容器614和第二电容器616。同样，噪声传感器600包括噪声分离器604，所述噪声分离器具有与图5的相应部件类似的第一输入606和第二输入607。图6中的第一功率端子618(相位功率端子618)、第二功率端子620(中性功率端子620)和第三功率端子619(保护性接地端子619)的结构与图5所示的类似。
图6的噪声感测单元602也包括第一电阻器624和第二电阻器622。第一电阻器624连接在第一电容器614的第二极板和保护性接地端子619之间。第二电阻器622连接在第二电容器616的第二极板和保护性接地端子619之间。图6的第一和第二电阻器624、622可以用作感测电阻器，所述感测电阻器在噪声分离器604的第一输入606和第二输入607与接地端子619之间具有电势差。这允许使用电压感测元件而不是电流感测元件来实现噪声分离器604。应该理解的是噪声分离器504、604的输入阻抗针对电流感测情况(图5)是低阻抗——理想地是0，并且针对电压感测情况(图6)是非常高的阻抗-理想地是无穷高。
电容器614、616抑制了来自LISN或者电源的信号中的低频分量。这些电容器可以是用于高压应用的y-电容器，以便满足安全性要求。
电阻器624、622的添加具有以下优势：商用电阻器的值的容限趋向于小于商用电容器的那些值的容限。也就是说，高精度电阻器趋向于比高精度电容器更便宜。同样地，可以以非常小的附加成本来增加非常类似电阻的两个电阻器622、624。可以选择部件614、616、622、624的值，使得在相关频率范围内减小或消除电容器的相对变化对于电阻器622、624两端测量的电势差的影响，所述相关频率范围在一些示例中可以是大于9kHz、50kHz、100kHz或150kHz的频率。
部件614、616、622、624的相对权重是重要的，因为这种加权影响噪声分离器604的第一输入606和第二输入607处的电流或电压的测量值。在一些示例中，有利地是电容器614、616具有实质上相等的值并且电阻器622、624具有实质上相等的值，使得可以通过假设两组电容器和电阻器具有实质上相等的阻抗来简化噪声分离器604的设计。
由于与经济上可变的“y”类电容器的容限相比电阻器的更好容限得到的改进，图6所示的结构可以提供与图5的电路相比改进的性能。CM-DM传感器的噪声分离器604对于由感测部件614、616、622、624的荣祥引起的不平衡敏感。因此，有利的是使用电阻器624、622和电容器614、616的串联连接来代替只使用电容器，因为在存在电阻器622、624和正确的调节值的情况下，减小了电容器614、616的部件值中的任何不精确性的效果。
在该实施例中，所要求的对称性与电阻器的值相干，所述电阻器通常可用于0.1％精度。认为这种精度能够提供噪声分离器的可接受性能。
图7说明了根据本发明实施例的噪声分离器704。噪声分离器704可以设置为单独的集成电路(IC)。可以将这看作是优势，因为单独的表面安装装置(SMD)可以用于提供对CM噪声加以表示的输出信号，所述CM噪声与对DM噪声加以表示的输出信号相分离。
图7的噪声分离器704包括加法放大器730和差分放大器732，所述加法放大器是加法器的示例，所述差分放大器是减法器的示例。向图7中的放大器馈送参考潜在的地线(未示出)产生的电源。应该理解的是在一些实施例中，加法放大器730和差分放大器732不需要对信号进行放大。
噪声分离器704的第一输入706耦合至第一输入放大器738的输入。第一输入放大器738的输出设置为加法放大器730的输入。噪声分离器704的第二输入707耦合至第二输入放大器740的输入。第二输入放大器740的输出设置为加法放大器730的输入。加法放大器730配置为将两个输入信号相加，并且提供对CM噪声加以表示的输出信号。如根据图1和图3应该理解的，在两个输入706、707处提供的信号的CM分量是同相的，因此可以相加在一起以便提供所要求的CM输出信号。在该实施例中，加法放大器730的输出提供给第一输出放大器734的输入，并且第一输出放大器734的输出耦合至噪声分离器704的第一输出710。
第一输入放大器738的输出和第二输入放大器740的输出也提供给差分放大器732的输入。差分放大器732配置为从一个输入信号中减去另一个输入信号，并且提供对DM噪声加以表示的输出信号。如根据图2和图4应该理解的，在两个输入706、707处提供的信号的DM分量是异相的，因此可以进行相减以便提供所要求的DM输出信号。在该实施例中，将差分放大器732的输出提供给第二输出放大器736的输入，并且将第二输出放大器736的输出耦合至噪声分离器704的第二输出。第一输出710和第二输出712也可以称作第一输出端口和第二输出端口。
第一输入放大器738和第二输入放大器740提供噪声感测单元与加法放大器730和差分放大器732之间的去耦合以及可能的预放大。第一输出放大器734和第二输出放大器736也可以提供加法放大器730和差分放大器732与第一输出端子710和第二输出端子712之间的去耦合以及可能的加法放大。在一些示例中，输入放大器738、740和／或输出放大器734、736可以看作是可选的。
放大器734、736、738、740以及加法器和减法器的任一个可以用于频率响应补偿或者相位补偿。
由第一输出710和第二输出712提供的两个输出信号可以用于后处理。在将噪声分离器704设置在单独集成电路上的实施例中，可以将输出信号提供给相同集成电路内的其他部件。替代地，可以将输出信号提供给分离的分立部件以便减小在电源上存在的噪声。
图5中的CM-DM噪声传感器500、600的每一个均包括噪声感测单元和噪声分离器。与现有技术相反，本发明的实施例可以只从与电源的第二(中性)电力线和第一(相位)电力线耦合的两个感测元件提供与CM和DM噪声成正比的两个输出信号。同样，组合的CM和DM噪声传感器表现出相对于现有技术的差异和显著改进。如果在不存在现有技术要求的磁性部件的情况下构造传感器，可以实现附加的优势，例如改进的带宽和减小的物理空间占用。
图7的放大器730、732可以配置为将对电流加以表示的信号(用于图5所示的电路)相加和相减，或者配置为将对电压加以表示的信号相加和相减(用于图6所示的电路)。对CM或DM噪声加以表示的来自放大器734、736的输出信号可以是电压信号或电流信号。
一些实施例可以包括单独IC上的加法放大器730和差分放大器732。这种单独的IC可以提供噪声分离器的所有功能，并且在电力线上提供用于传输与CM噪声成正比的信号的第一输出和用于传输与DM噪声成正比的信号的另一个输出。可以将有源光纤、控制器和输出级集成到相同的IC上。提供几个附加的功能单元可以节省PCB空间，在一些实施例中可以附加地提供诸如控制器之列的附加功能单元以管理单独IC上的噪声分离器和放大器的性能。
应该理解的是可以将噪声分离器实现为单独的集成电路、多个集成电路、分立部件或者实现为集成电路和分立部件的组合。图5和图6所示的电阻器和电容器的一个或多个额可以是分立部件，或者可以合并到集成电路中。噪声感测单元可以存在于与噪声分离器相同的集成电路上。
图6中寿命的检测和分离技术也可以适用于直流电路应用中的噪声检测。图8示出了功能图，说明了根据本发明第一方面的cm-dm噪声传感器802和直流电源之间的示例连接。CM-DM噪声检测和分离技术在DC总线或者整流干线电源中也是可行的。
噪声传感器的第一和第二功率端子可以：
直接耦合至DC电源，如图8a所示；
在桥接eleap结构的elcap两端提供电压，如图8b所示；或者
在由功率因子校正级馈送的DC总线电容器两端提供电压。
在图8a和8b两者中，将CM-DM传感器的两个输出提供给开关模式电源。这两个输出提供感测且分离的CM噪声和DM噪声，一个输出对CM噪声加以表示，一个噪声对DM噪声加以表示。
将图5至图8所示的对于噪声分离器的电源称作保护性地线。噪声分离器内的一个或多个有源器件(包括放大器)可以保护性接地参考电压源供电。可能难以产生由干线或DC总线制成的电压源。在一些情况下优选地是使用参考相位或中性电源干线(在AC系统中)或者参考正或负电源(对于DC总线或者整流干线电源)的噪声分离器，以便简化噪声分离器的设计。
图9至图11说明了本发明的另外实施例。在这些实施例中，噪声分离器内的有源器件可以耦合至电源的相位端子、中性端子(对于AC)或者正或端子(对于DC)。实际上，有源器件的电源可以耦合至除了保护性地线之外的任意线路上。
图9说明了包括噪声感测单元902和噪声分离器904的CM-DM传感器900。下面提供的表总结了本发明要求的枚举电源端接技术之间的关系，并且可以用于描述图6和图9。
功率端子 图6 图9
第一 相位618 相位920
第二 中性620 中性919
第三 保护性地线619 保护性地线918
图9的噪声分离器904具有第一输入906、第二输入907和第三输入908以及第一输出910和第二输出912，所述第一输出910提供对共模噪声加以表示的信号，所述第二输出912提供对差模噪声加以表示的信号。第一输出910和第二输出912提供的输出信号与图6所示的噪声传感器的相应输出提供的输出信号实质上相同。然而，输出910、912电学地参考有源器件的电源所参考的相同线路(这里N，示范性地是DC或电路地)。也就是说，参考提供给有源器件的相同电源线路来测量输出信号。
类似地，噪声感测单元902包括第一电阻器924、第二电阻器922、第一电容器914和第二电容器916，像图6所示的噪声感测单元一样。然而，这些部件的结构及其与噪声感测单元的连接与参考图6如上所述的结构和连接差异很大。
在图9中，第一电容器914的第一极板耦合至电源的第一功率端子920(也称作相位功率端子920)。第一电容器914的第二极板耦合至第一电阻器924的第一端子以及噪声分离器904的第一输入906。第一电阻器924的第二端子耦合至噪声分离器904的第二功率端子919(也称作中性功率端子919)和第三输入908两者。因此，第一电容器914耦合相位功率迹线和中性功率迹线，并且可以是除了y-电容器之外的普通电容器或x-电容器。
图9中标记的相位和中性电势参考保护性地线，并且因此相位线(耦合至相位功率端子920)具有UCM+UDM的电势，中性线路(耦合至中性功率端子919)具有UCM-UDM的电势。第一电阻器924两端的电势差是是这两个电势之差，导致了2UDM。
第二电阻器922的第一端子耦合至电源的第三功率端子918(也可以称作保护性接地端子918)。第二电阻器922的第二端子耦合至第二电容器916的第一极板。第二电容器916的第二极板耦合至噪声分离器904的第二输入907。应该理解的是第二电容器916和第二电阻器922的结构可以反转。由于安全性的原因，第二电容器916应该是“y-电容器”。
在该实施例中，参考保护性地线只感测一个信号。这种感测是经由y-电容器进行的，因为参考除了保护性地线之外的DC-总线的“-”端、中性端N或者任意其他电力线向放大器馈电。此外，第二电容器抑制将任意的DC或低频(例如，50至100Hz的量级)分量反馈到保护性地线918中。
第一电容器914的安全性要求可能没有在图6所示的实施例中使用的第一电容器614的安全性要求严格，因为图9的实施例的第一电容器没有将线路电力线耦合至地。与图6所示的噪声传感器的成本相比较，部件规范中的这种差别允许当制造根据本发明的实施例时的成本节省。
图10示出了图9的噪声分离器的一种可能内部结构以及参考图9描述的噪声感测单元902的部件。所述的结构是基于三个运算放大器1040、1040、1048的使用。图10所示的结构使用电压感测，尽管本领域普通技术人员应该理解的是也可以提供电流感测结构。图9的中的噪声分离器参考干线中性N线路而不是保护性地线。替代地，放大器可以参考干线相位功率线路P、DC总线或电路GND。根据该实施例的用于放大器的电源可以参考干线电源或者开关模式电源的中性线路(或者替代地参考相位线路、dc总线或者电路GND)来产生。
第一放大器1040具有与噪声分离器1004的第一输入1006相耦合的非反相输入端。馈送至第一放大器1040的非反相输入端的高频信号表示相位线路和中性线路的电势之间的差。在该示例中，第一反馈电阻器R41042连接在第一放大器1040的输出以及第一放大器1040的反相输入端之间，以便提供反馈路径。在一些实施例中，第一反馈电阻器R41042可以不是必须的，并且依赖于第一放大器1040的实施例可以是开路或者通过短路来代替。第一放大器1040的输出与相对于参考线路测量的电源线路上的DM噪声成正比，在该示例中所述参考线路是中性线路1008。
第二放大器1044具有与噪声分离器1004的第三输入1008耦合的非反相输入端。第二放大器1044的反向输入端耦合至噪声分离器1004的第二输入端1007。第二反馈电阻器R31046连接在第二放大器1044的输出以及第二放大器的反向输入端之间，以便提供反馈路径。第二放大器1044的输出处的信号与CM噪声减去DM噪声(UCM-UDM)成正比。
第三放大器1048配置为分别经由第一沟道电阻器R51050和第二沟道电阻器R61052在反相输入端从第一和第二放大器1040、1044的输出接收信号。第三放大器1048有效地对来自第一和第二放大器1040、1044的信号求和。第三放大器的非反相输入端耦合至噪声分离器1004的第三输入1008。第三反馈电阻器R71054连接在第三放大器1048的输出及其反向输入端之间以便提供反馈路径。第三放大器的输出与共模噪声成正比。
图11中的电路说明了配置为作用于直流(整流)电源的本发明实施例。利用桥式电容器示出的桥式整流器1160采用常规形式。桥式整流器1160具有相位端子和中性端子1162、1163，其采用单一相位AC信号，并且在桥式整流器1160的第一和第二输出1166、1168处提供DC功率。桥式整流器1160的第一输出1166经由第一电容器1114耦合至噪声分离器的第一输入1106。桥式整流器1160的第二输出1168耦合至噪声分离器的第三输入1108。噪声分区里内部的放大器的电源、因此噪声分离器的CM和DM输出参考桥式整流器1168的第二输出。
图6和图9中描述的本发明的实施例可以无需使用电感器就解决分离共模噪声和差模噪声的共同的技术问题。然而，在这两个实施例中存在两个主要的区别。首先，用于执行噪声分离的方法是不同的，其导致了两个实施例的实施方式的差异。其次，由于感测元件的不同结构，本发明的第二实施例可以让噪声感测电路参考DC总线的负端(或者在AC电源的情况下的中性端，或者任意其他线路)，而不是参考由根据本发明第一方面的实施例所要求的保护性地线。
参考DC总线供应有源CM-DM分离器的能力是将本发明的图9的实施例与现有技术相区别的另一个特征。
本发明的实施例通过可以不使用磁性感测元件实现的半导体技术提供了一种分离CM和DM噪声的方法。这可以是有利的，因为磁性或电感性部件可能要求比本发明的感测部件更大的物理空间。另外，使用电感性部件作为感测元件可以导致由现有技术传感器实现的带宽降低，并且导致低幅度检测信号。
可以提供一种EMI传感器。所述EMI噪声传感器可以只使用电容器和电阻器作为外部部件并且作为感测单元。传感器可以将在CM-DM噪声分离器中感测的噪声分离为CM和DM分量。可以在IC中实现CM-DM噪声分离器。传感器可以提供两个输出信号，以与CM噪声成正比，而另一个与DM噪声成正比。
噪声传感器可以使用电流输入或者电压输入用于IC。噪声传感器可以使用外部电容器作为将噪声转换为电流或电压的感测单元或者测量单元。可以将传感器的输出实现为电流输出或者电压输出。
传感器可以使用电容器和电阻器的串联连接作为感测单元或测量单元，从而检测电阻器两端的电压。
说明为分立部件(例如电容器和电阻器)的一个或多个部件可以替代地集成到集成电路(IC)中。单独的IC可以提供噪声分离器和噪声传感器两者的部件。
传感器可以对获得的CM和DM噪声进行放大。可以在两个不同的端口提供两个输出信号。传感器可以确保两个输出信号的内部可用性，用于后处理的目的。传感器可以通过相加来确定CM信号和／或可以通过相减来确定DM信号。
应该理解的是这里展示的功能和方法也可以应用于诸如三相系统之类的任意多线系统。
可以提供一种包括这里公开的任意传感器的有源EMI滤波器。

Claims (23)

1.一种噪声传感器(600；900)，具有用于从电源接收信号的第一功率端子(618；920)、第二功率端子(620；919)和第三功率端子(619；918)，所述噪声传感器(600；900)包括：
噪声分离器(604；904)，具有第一输入(606；906)、第二输入(607；907)、第三输入(908)、第一输出(610；910)和第二输出(612；912)，第一输出用于提供对共模噪声加以表示的第一输出信号，第二输出用于提供对差模噪声加以表示的第二输出信号；以及
噪声感测单元(602；902)，其中所述噪声感测单元(602；902)包括：
第一电容性元件(614；914)，所述第一电容性元件将噪声分离器(604；904)的第一输入(606；906)与第一功率端子(618；920)相耦合；以及
所述噪声感测单元(602；902)还包括：
第二电容性元件(616)，所述第二电容性元件将噪声分离器(604)的第二输入(607)与第二功率端子(620)相耦合；
第一电阻性元件(624)，所述第一电阻性元件将噪声分离器(604)的第一输入(606)与第三功率端子(619)相耦合；以及
第二电阻性元件(622)，所述第二电阻性元件将噪声传感器(604)的第二输入(607)与第三功率端子(619)相耦合，
或者所述噪声感测单元(602；902)还包括：
第二电容性元件(916)，所述第二电容性元件将噪声分离器(904)的第二输入(907)与第三功率端子(918)相耦合；
第二功率端子(919)和噪声分离器(904)的第三输入(908)之间的耦合；
第一电阻性元件(924)，所述第一电阻性元件将噪声分离器(904)的第一输入(906)与第二功率端子(919)相耦合；以及
第二电阻性元件(922)，所述第二电阻性元件经由第二电容性元件(916)将噪声分离器(904)的第二输入(907)与第三功率端子(918)相耦合。
2.根据权利要求1所述的噪声传感器(600)，还包括第三功率端子(619)和噪声分离器的第三输入之间的耦合，并且其中第二电阻性元件(622)将噪声分离器(604)的第二输入(607)与噪声分离器(604)的第三输入相连。
3.根据权利要求2所述的噪声传感器(600)，其中第一电容性元件(614)包括y-电容器，并且第二电容性元件(616)包括y-电容器。
4.根据权利要求3所述的噪声传感器(600)，其中第一电阻性元件(624)的电阻实质上等于第二电阻性元件(622)的电阻。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的噪声传感器(700)，其中噪声分离器(704)包括：
加法器(730)，加法器(730)的输入耦合至噪声分离器(704)的第一输入(706)和第二输入(707)，并且加法器(730)的输出耦合至噪声分离器(704)的第一输出(710)；以及
减法器(732)，减法器(732)的输入耦合至噪声分离器(704)的第一输入(706)和第二输入(707)，并且减法器(732)的输出耦合至噪声分离器(704)的第二输出(712)。
6.根据权利要求5所述的噪声传感器(700)，其中噪声分离器(704)还包括：
加法器(730)的输出和噪声分离器(704)的第一输出(710)之间的输出放大器(734)；以及
减法器(732)的输出和噪声分离器(704)的第二输出(712)之间的输出放大器(736)。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的噪声传感器(700)，所述噪声分离器(704)还包括：
第一输入放大器(738)，第一输入放大器(738)的输入耦合至噪声分离器(704)的第一输入(706)，并且第一输入放大器(738)的输出耦合至加法器(730)的第一输入以及减法器(732)的第一输入；以及
第二输入放大器(740)，第二输入放大器(740)的输入耦合至噪声分离器(704)的第二输入(707)，并且第二输入放大器(740)的输出耦合至加法器(730)的第二输入以及减法器(732)的第二输入。
8.根据权利要求1所述的噪声传感器(900)，其中第一电容器(914)不是y-电容器。
9.根据权利要求1或8所述的噪声传感器(900)，其中噪声分离器(904)配置为在其第一输出(910)处提供参考电源的第二端子(919)提供给噪声分离器的第一输入(906)的信号得出的信号。
10.根据权利要求1、8或9任一项所述的噪声传感器(900)，其中噪声分离器(904)配置为在其第二输出(912)处提供参考在噪声分离器的第二输入(907)处接收的信号获得的第一输入(906)和第三输入(908)的信号之和得出的信号。
11.根据权利要求1、8、9或10所述的噪声分离器，其中使用放大器(1040、1044、1048)来实现噪声分离器(1004)，并且参考第二功率端子将功率馈送至放大器(1040、1044、1048)。
12.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600，900)，其中噪声分离器(604，904)的第一输入(606，906)和第二输入(607，907)配置为接收电压输入信号。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声分离器(604；904)的第一输入(606；906)和第二输入(607；907)配置为接收电流输入信号。
14.根据任一前述权利要求所述的噪声分离器(600；900)，其中噪声分离器(604；904)的第一输出(610；910)和第二输出(612；912)配置为提供电流输出信号。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声分离器(604；904)的第一输出(610；910)和第二输出(612；912)配置为提供电压输出信号。
16.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中将传感器的输出提供给配置为至少部分地补偿电源中的共模噪声和／或差模噪声的装置。
17.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声分离器(604；904)的第一输入(606；906)和第一功率端子(618；920)之间的累积电抗是电容性电抗；以及
噪声分离器(604；904)的第二输入(607；907)和第二功率端子(620)或第三功率端子(918)之间的累积电抗是电容性电抗。
18.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声感测单元(602，902)只包括电容器和电阻器。
19.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声分离器(604，904)实现为集成电路。
20.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声感测单元(602，902)用分立部件实现。
21.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中噪声感测单元(602，902)设置在与噪声分离器(604，904)相同的集成电路中。
22.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器，所述噪声传感器只提供CM或DM输出信号。
23.根据任一前述权利要求所述的噪声传感器(600；900)，其中所述传感器不包括电感器。
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