CN103969532A - 一种用于分离差模信号与共模信号的模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分离差模信号与共模信号的模块，该模块包括第一传输线变压器，将第一传输线变压器初级线圈的两端分别与线路阻抗稳定网络的火线、零线输出接线端连接，在火线与零线输出接线端之间连接有第一传输线变压器初级线圈，在初级线圈的中部设有中心抽头，中心抽头通过第一电阻接地，中心抽头与共模信号输出接线端连接，火线输出接线端又与第二传输线变压器输入的一端连接，其对应的输出端通过第二电阻与差模信号输出接线端连接，零线输出接线端又与第二传输线变压器输入的另一端连接，其对应的输出端接地，该模块具有电路结构简单，共模抑制比和差模抑制比良好，测试效果精准，体积小、重量轻等特点。

Description

一种用于分离差模信号与共模信号的模块

技术领域

本发明涉及电磁兼容检测技术领域，具体涉及一种用于分离差模信号与共模信号的模块。

背景技术

在现有技术中，根据被测设备所发射传导干扰的传播途径可被分解为共模和差模两个成份，如图1所示：其中LISN是线路阻抗稳定网络12(又称人工电源网络)，是测试传导发射的必备设备，它为测试设备(频谱仪、接收机)提供近似50Ω的测试环境的同时，又能隔离来自电网的无用射频信号和避免电网直接烧毁测试仪器，(GB6113-85)，右侧用于与待测电磁干扰源15连接。

根据现行国际规范，图1中左上输出的L端所测为火线输出接线端；左下输出的N端所测为零线输出接线端。L端和N端所测得的量又统称为传导发射值总量。

由于LISN只能测得传导发射值总量，因此长期以来给EMI(电磁干扰)电源滤波器的共模和差模滤波电路的设计带来困难。设计者对共模信号CM和差模信号DM噪声的量化常常缺乏相关知识或适当的工具，以至于不得不常常依靠反复的试验来接近满意的噪声抑制效果。如何研制实用的共、差模信号分离网络就成为摆在当前科技界的热点难题。

目前韩国emcis公司EMI ANALYZER(EA-2100)生产的CM共模信号、DM差模信号分离的产品，其性能报告如下：其中CM共模、DM差模；InputVoltage电源输入电压100～240VAC,50/60Hz；Signal Separation Teat信号隔离度测试(dB)；Signal Loss Test信号损耗测试(dB).体积：(W)365x(D)330x(H)160(mm)，重量：9.2kg。

2.Operating Test

3.Performance Test

1.Signal Separation Test PASSED

Low Frequency	10KHz	100KHz	1MHz	10MHz	30MHz
						Separation-CM	54	62	54	45	42
Separation-DM	55	62	62	61	46

High Frequency	30MHz	50MHz	100MHz	200MHz	300MHz
						Separation-CM	49	46	45	51	31
Separation-DM	46	42	40	52	44

2.Signal Loss Test PASSED

Emcis公司此产品已获多项国际专利，由于保密原因，禁止透露具体采用的共、差模分离网络性质。

如图2所示，据目前所有查获的资料显示，共、差模分离原理归纳有四种：电流探头、变压器、功率合成器和有源运放(差分)电路。由以上性能报告，不难看出只有采用有源运放电路，才需要电源供给。

有源差分电路，就是将L、N两路输出信号进行加、减处理，获得共模和差模分量。

采用上述有源共、差模分离网络，生产工艺复杂、成本高，体现在安装、调试、体积、重量和功耗等各个环节上。

缺乏关键数据--输入阻抗。由于共、差模分离网络是直接和LISN连接的，所以要求和LISN连接后，LISN的网络仍能保持近似50Ω的原有阻抗特性。惟有这样才能真实反映分离后的共、差模分量是准确的。因此，Emcis公司所公开的性能数据，其真实性有待考查。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种采用传输线变压器的方案，该传输线变压器具有宽频带、应用频率高、体积小、承受功率大、损耗小等优点，特别是提供一种共模抑制比和差模抑制比良好的射频器件。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述模块包括第一传输线变压器，将第一传输线变压器初级线圈与线路阻抗稳定网络的火线输出接线端连接，将第一传输线变压器初级线圈的另一接线端与线路阻抗稳定网络的零线输出接线端连接，在线路阻抗稳定网络的火线输出接线端与线路阻抗稳定网络的零线输出接线端之间连接有第一传输线变压器初级线圈，在初级线圈的中部设有中心抽头，中心抽头通过第一电阻接地，中心抽头与共模信号输出接线端连接，线路阻抗稳定网络的火线输出接线端又与第二传输线变压器输入的一接线端连接，其对应的输出接线端通过第二电阻与差模信号输出接线端连接，线路阻抗稳定网络的零线输出接线端又与第二传输线变压器输入的另一接线端连接，其对应的输出接线端接地。

其中优选的技术方案是，所述第一电阻与第二电阻的阻值均为50欧姆的精密电阻。

优选的技术方案还有，所述第二传输线变压器的匝数比为1:1。

优选的技术方案还有，所述第一传输线变压器和第二传输线变压器分别安装于两个屏蔽体内。

优选的技术方案还有，所述第一传输线变压器初级线圈的两端并接微调电容。

优选的技术方案还有，所述接线端均采用屏蔽电缆连接，所有屏蔽电缆外皮都采用360°度接地。

优选的技术方案还有，所述模块中的差模信号接线端和共模信号接线端用于与信号检测装置连接。

优选的技术方案还有，所述用于分离差模信号与共模信号的模块在检测时通过共模信号转换器和/或差模信号转换器与信号源链接。

优选的技术方案还有，所述差模信号转换器为专用传输线变压器，专用传输线变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比为1:1，将专用传输线变压器的初级线圈的一接线端与标准信号发生器的电压输出接线端连接，将专用传输线变压器的初级线圈的另一接线端接地，或将专用传输线变压器的次级线圈的两个接线端分别与两路差模信号接线端连接，将专用传输线变压器的次级线圈的中点抽头端接地。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该用于分离差模信号与共模信号的模块具有电路结构简单，共模抑制比和差模抑制比良好，测试效果精准，体积小、重量轻等特点。

附图说明

图1为传导发射路径及LISN输出方框图；

图2为现有有源共差模分离的差分参考电路图；

图3为本发明的传输线变压器共差模分离模块电路；

图4为本发明的模块电路原理图1；

图5为本发明的模块电路原理图2；

图6为网络分析仪连接本发明模块后，所测试到的线路阻抗稳定网络输入阻抗特性曲线图；

图7为采用本发明模块通过共模信号转换器或差模信号转换器与信号源及频谱仪连接的示意图；

图8为两路差模信号转换器电路图；

图9为频谱仪检测到的传导发射总量的曲线图；

图10为频谱仪检测到的传导发射差模分量的曲线图；

图11为频谱仪检测到的传导发射共模分量的曲线图。

图中：1-模块，2-第一传输线变压器(T1)，3-火线接线端，4-零线接线端，5-中心抽头，6-第一电阻，7-共模信号输出接线端，8-第二传输线变压器(T2)，9-第二电阻，10-差模信号输出接线端，11-微调电容器，12-线路阻抗稳定网络(LISN)，13火线输出接线端，14-零线输出接线端，15-待测电磁干扰源(EUT)，16-标准信号源，17-共模信号转换器，18-差模信号转换器，19-频谱仪，20-检测装置。

具体实施方式

如图3所示，本发明是一种用于分离差模信号与共模信号的模块，该模块1包括第一传输线变压器(T1)2，将第一传输线变压器(T1)2初级线圈的一端与线路阻抗稳定网络的火线输出接线端3连接，将第一传输线变压器初级线圈的另一端与线路阻抗稳定网络的零线输出接线端4连接，在所述零线输出接线端4与火线输出接线端3之间连接有第一传输线变压器(T1)初级线圈，在初级线圈的中部设有抽头5，中心抽头5与共模信号输出接线端7连接，中心抽头5通过第一电阻6接地，火线输出接线端3与第二传输线变压器(T2)8输入端的一端连接，其对应输出端接地，所述零线输出接线端4与第二传输线变压器(T2)8输入端的另一端连接，其对应输出端通过第二电阻9与差模信号输出接线端10连接。

第一传输线变压器(T1)2除了分离出共模分量外，同时起到差模扼流圈的作用。

第二传输线变压器(T2)8除了分离出差模分量外，同时起到共模扼流圈的作用。

在本发明中优选的实施方案是，所述第一电阻7与第二电阻9的阻值均为50欧姆的精密电阻。

在本发明中进一步优选的实施方案是，为了提高共模信号和差模的隔离度，第一传输线变压器(T1)2和第二传输线变压器(T2)8分别安装于两个屏蔽体内。

在本发明中进一步优选的实施方案是，在第一传输线变压器(T1)2的初级线圈之间并接一个微调电容器11。微调电容器11用于进一步调整共模信号的隔离度。

在本发明中进一步优选的技术方案还有，将所有接线端均采用屏蔽电缆连接，所有屏蔽电缆外皮都采用360°度接地。

如图1所示，在本发明中优选的实施方案还有，所述模块中的零线接线端4和火线接线端3与线路阻抗稳定网络(LISN)12中的零线输出接线端14和火线输出接线端13连接。

在本发明中优选的实施方案还有，将所述模块1中的差模信号输出接线端10和共模信号输出接线端7与信号检测装置20中的频谱仪19连接。

在本发明中进一步优选的实施方案还有，所述的检测装置20由频谱仪19，标准信号源16和共模信号转换器17，差模信号转换器18组成。

如图7所示，在本发明中进一步优选的实施方案还有，所述用于分离差模信号与共模信号的模块1通过共模信号转换器17和/或差模信号转换器18与标准信号源16连接。

如图8所示，在本发明中进一步优选的实施方案还有，所述差模信号转换器18为专用转换传输线变压器，专用转换传输线变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比为1:1，将专用转换传输线变压器的初级线圈的一端与标准信号发生器的电压输出端连接，将专用转换传输线变压器的初级线圈的另一端接地，将专用转换传输线变压器的次级线圈的两个接线端分别与差模信号转换器18的两个差模输出端连接，将专用转换传输线变压器的次级线圈的中点抽头端接地。

本发明用于分离差模信号与共模信号的模块的工作原理是：

根据共模和差模电流的基本定义：共模信号电流ICM的特征是以相同的幅度和相位,往返于L、N与地线之间的噪声电流；差模电流IDM特征是往返于L、N之间且相位相反的噪声电流。

共模分离原理如图4所示，根据共模定义，L、N共模传导发射电流方向用1号线表示，这时在负载电阻50Ω上的共模电流等于ICM.根据差模定义，L、N差模传导发射电流方向用2号线表示，由于第一传输变压器初级线圈构成差模扼流圈阻止差模电流通过，这时差模电流IDM＝0

差模分离电路如图5所示，根据差模定义，L、N差模传导发射电流方向用3号线表示，注意这时差模传导发射电流要通过频谱仪的接地输入阻抗50Ω才能构成回路。回路的差模电流为IDM。根据共模定义，L、N共模传导发射电流方向用4号线表示，由于第二传输线变压器起到共模扼流圈的作用，阻止共模发射电流通过。这时共模电流ICM＝0。

本发明中的模块具有定义清晰、易懂，所使用共差模分离器件只有两个无源的宽带传输线变压器，只要宽带传输线变压器设计合理，就能实现共、差模的分离目的。

所需无源的宽带传输线变压器应满足如下要求：

1)输入阻抗始终保持50Ω，不随噪声源阻抗的变化而变化；

2)3dB带宽：5kHz-100MHz；对10kHz-30MHz带宽内的传导干扰信号应呈线性响应；

3)插损：≤1dB

目前无源共差模分离模块达到可供重复的性能指标：

1)共差模隔离度(dB)

频率	10kHz	30kHz	50kHz	100kHz	500kHz	1MHz	5MHz	10MHz	15MHz	20MHz	25MHz	30MHz
													CM	59.1	66.8	66.5	67.7	68.5	71.1	79.3	67.5	57.1	51	46.8	43.6
DM	64.9	71.4	74.4	78.1	77.9	72.5	58.7	52.4	48.4	45.1	42.6	40.6

2)信号插入损耗(dB)与频谱仪幅度精度一致

3)输入阻抗：输入阻抗为共差模分离模块接入LISN后，所测得的LISN输出阻抗。如图6所述为被检测到的LISN输入阻抗特性曲线。

LISN线路阻抗稳定网络规范允许阻抗有±20％的误差带，在图中误差带用上、下限虚线表示。所以输入阻抗都在±20％的误差带内。

4)无源共差模分离模块的体积和重量：长33x宽41x高18mm；重量0.1kg

5)实测效果：某品牌开关频率为25kHz左右的逆变电源，如图9、图10、图11所示

6)检测装置：如图7所示

共模信号和差模信号转换器。

1.共模信号转换器

由于检测需要两路完全对称(幅度和相位)的共模信号，而标准信号发生器的输出是不对称的单路输出，所以需要选用合格的同轴三通，作为两路共模信号的转换器。所选同轴三通经网络分析仪检验符合精度要求。

差模信号转换器：同样，由于检测需要两路完全对称(幅度和相位)的差模信号，如图8所示。两路差模信号转换器也采用符合要求的专用转换传输线变压器来实现，最后经网络分析仪检验符合精度要求。

以上可通过Matlab6.1软件仿真设计。最后通过检测验证。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述模块包括第一传输线变压器，将第一传输线变压器初级线圈与线路阻抗稳定网络的火线输出接线端连接，将第一传输线变压器初级线圈的另一接线端与线路阻抗稳定网络的零线输出接线端连接，在火线输出接线端与零线输出接线端之间连接有第一传输线变压器初级线圈，在初级线圈的中部设有中心抽头，中心抽头通过第一电阻接地，中心抽头与共模信号输出接线端连接，火线输出接线端又与第二传输线变压器输入的一接线端连接，其对应的输出接线端通过第二电阻与差模信号输出接线端连接，零线输出接线端又与第二传输线变压器输入的另一接线端连接，其对应的输出接线端接地。

2.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述第一电阻与第二电阻的阻值均为50欧姆的精密电阻。

3.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述第二传输线变压器的匝数比为1:1。

4.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述第一传输线变压器和第二传输线变压器分别安装于两个屏蔽体内。

5.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述第一传输线变压器初级线圈的两端并接微调电容。

6.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述接线端均采用屏蔽电缆连接，所有屏蔽电缆外皮都采用360°度接地。

7.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述模块中的差模信号接线端和共模信号接线端用于与信号检测装置连接。

8.如权利要求1所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述用于分离差模信号与共模信号的模块在检测时通过共模信号转换器和/或差模信号转换器与信号源连接。

9.如权利要求8所述的用于分离差模信号与共模信号的模块，其特征在于，所述差模信号转换器为专用传输线变压器，专用传输线变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比为1:1，将专用传输线变压器的初级线圈的一接线端与标准信号发生器的电压输出接线端连接，将专用传输线变压器的初级线圈的另一接线端接地，将专用传输线变压器的次级线圈的两个接线端分别与两路差模信号接线端连接，将专用传输线变压器的次级线圈的中点抽头端接地。