CN104807537B - 噪声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有单放大路径的共模噪声传感器，包括：第一端子和第二端子，用于从电源接收相应的第一和第二信号；放大器级，连接到第一端子和第二端子并具有输出；以及电阻器网络，连接到放大器级，电阻器网络被布置为使放大器级的输出被配置为提供输出信号，输出信号中第一信号和第二信号中的差模噪声比第一信号和第二信号中的共模噪声优先被抑制。

Description

噪声传感器
技术领域
本发明涉及噪声传感器。具体地，本发明非排除性地涉及一种共模噪声传感器。
背景技术
电力线上的瞬态噪声可以表示为相对于保护接地的电势差。在具有接地连接或没有接地连接的包括两条电力线的电源中，瞬态噪声可以包括共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。CM噪声是存在于两条线路上的对地电势。DM噪声可以表示为存在于每一条电力线上具有相反幅值的对地电势。在典型的应用中，同时存在CM噪声和DM噪声。
对很多电子设备应用来说，电磁兼容性是一个重要问题。例如，可能需要确保电磁兼容性以遵守国际标准。此外，很多数字电路对电磁噪声的敏感度增加也增加了维持电磁兼容性的重要性。
已知无源滤波器可用于减少电磁干扰(EMI)噪声。无源滤波器便宜且可靠，但是相比提供功能的组件所占据的空间，无源滤波器在印刷电路板(PCB)上可能占据了大量的物理空间。此外，无源滤波器的能耗也不可忽视，因此这种滤波器会降低整个系统的效率。
就PCB空间占据和功率效率而言，可以认为有源滤波器比无源滤波器更有优势。为主动减少EMI噪声，必须检测要对其进行补偿的噪声信号。然而，由于两种类型的传导(conducted)噪声(共模(CM)噪声和差模(DM)噪声)要求不同的消除或缓解方法，对于有源滤波器而言感测总的噪声信号可能是不够的。因此，可能重要的是，分别感测或确定CM和/或DM噪声，使得正确地考虑噪声。
在一些噪声传感器中，噪声传感器内的相移可能导致共模噪声信号感测的精确度降低。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种具有单放大路径的共模噪声传感器，包括：
第一端子和第二端子，用于从电源接收相应的第一和第二信号；
放大器级，连接到所述第一端子和第二端子并具有输出；以及
电阻器网络，连接到所述放大器级，所述电阻器网络被布置为使所述放大器级的输出被配置为提供输出信号，所述输出信号中所述第一信号和第二信号中的差模噪声比所述第一信号和第二信号中的共模噪声优先被抑制。
提供用于提供代表共模信号噪声的信号的单放大路径，这意味着与并行放大路径所引起的相移有关的困难得到了减轻。此外，通过提供用于从电源接收相应第一信号和第二信号的第一端子和第二端子，共模噪声传感器可以直接而非电感性地耦合到电源。避免电感性耦合使共模噪声传感器的成本和尺寸得到了降低。电阻器网络的布置而非耦合到电源的布置使得例如差模噪声传感器提供差模噪声比共模噪声优先被抑制的输出信号。
由于所述电阻器网络的布置，所述放大器级可以消除所述差模噪声，使得所述输出信号代表所述共模噪声。所述输出信号中共模噪声与差模噪声的比值大于10。
所述第一端子和/或第二端子可以被配置为直接连接到和/或电容性耦合到所述电源。所述放大器级可以具有反相输入和非反相输入。所述反相输入可以经由滤波电容器连接到所述第一端子。
所述电阻器网络中的各电阻器的电阻可以被加权，使得所述放大器级的输出被配置为提供使所述第一和第二信号中的差模噪声比所述第一和第二信号中的共模噪声优先被抑制的输出信号。
所述电阻器网络可以包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器中的一个或多个。所述第一电阻器可以与所述滤波电容器串联在所述第一端子和所述反相输入之间。所述第二电阻器可以连接在所述放大器级的输出和所述放大器级的反相输入之间。所述第三电阻器可以连接在所述放大器级的非反相输入和接地之间。所述第四电阻器可以连接在所述非反相输入和所述第二端子之间。所述第一电阻器的电阻R1可以为：
其中R2是所述第二电阻器的电阻，R3是所述第三电阻器的电阻，R4是所述第四电阻器的电阻。
可以提供在所述非反相输入和接地之间与所述第三电阻器串联的接地电容器。所述接地可以是保护接地。所述接地电容器可以是y电容器。
所述电阻器网络可以包括第五电阻器。所述第一电阻器可以在节点处连接到所述滤波电容器。所述第五电阻器可以连接在所述节点和所述第二端子之间。所述第五电阻器可以被提供在所述放大器级的反相输入和非反相输入之间。
所述电源可以是交流电流源，并且所述第一和第二端子每一个可以被配置为耦合到所述电源的相位端子和中性端子中的一个。备选地，所述电源可以是直流电流源，并且所述第一和第二端子每一个被配置为耦合到所述电源的正极端子和负极端子中的一个。备选地，所述电源可以包括整流器，并且所述第一和第二端子每一个可以被配置为耦合到所述整流器的正极和负极电力线中的一个。所述电源还可以具有接地或保护接地端子。所述放大器级的电压源参考所述中性线、所述负极端子、电路接地或者任意其他点。所述放大器的输出可以参考相同点。
所述共模噪声传感器可以不包括电感器。具体地，所述噪声传感器可以不包括配置为将所述噪声传感器耦合到所述电源的电感器。因而，所述噪声传感器可以被配置为，仅使用所述放大器级与电阻性和电容性无源元件来感测所述共模噪声。所述单放大路径可以包括单个放大器级。即所述放大器级可以是单个放大器级，如单个运算放大器。
根据本发明的第二方面，提供一种噪声消除设备，包括在此公开的共模噪声传感器。
附图说明
仅作为示例方式，现在参考参考附图描述本发明的一个或多个实施例，其中：
图1示出用于CM-DM噪声分离器的电路图；
图2示出CM噪声分离器的示意图；
图3示出用于电源的CM噪声分离器的电路图；
图4示出用于电源的另一个CM噪声分离器的电路图；
图5示出用于具有输入二极管桥整流器的电源的CM噪声分离器的电路图。
具体实施方式
图1示出了CM-DM噪声传感器的电路图，CM-DM噪声传感器具有分别与电源的相位线P、中性线N和保护接地PE耦合的第一、第二、和第三端子106、107、108，电源具有交流电流或直流电流输入。
第一电容器104和第一电阻器102被提供为串联在噪声传感器的第一和第二端子106、107之间。第一电容器104的第一极板耦合到第一端子106。第一电容器104的第二极板耦合到第一电阻器102的第一端子。第一电阻器102的第二端子耦合到噪声传感器的第二端子107。
相对保护接地PE，相位线P具有CM+DM的电势，中性线N具有CM-DM的电势(忽略低频输入电压)。在特定频率范围内，第一电阻器102上的电势差是这两个电势之差(2DM)。第一电容器104(或滤波电容器)用作高通滤波器，所述高通滤波器阻挡低频信号(如DC或50Hz)但允许从第一端子106到噪声传感器的高频噪声通过。
噪声传感器具有三个运算放大器110、114和118。图1所示的布置使用电压感测，尽管本领域技术人员了解还可以提供电流感测布置。噪声传感器参考干线中性线N，而不参考保护地线。备选地，放大器可以参考干线相位电力线P、DC线或电路接地。即，可以参考干线电源或开关模式电源的中性线(或者备选地，相位线、DC线或电路接地)来产生针对放大器110、114、118的电源。
第一放大器110具有非反相输入，非反相输入耦合到第一电容器104的第二极板和第一电路102的第一端子。馈入第一放大器110非反相输入的信号代表特定频率范围内相位线和中性线之间的电势差。在该示例中，第一反馈电阻器R4112连接在第一放大器110的输出和第一放大器110的反相输入之间以提供反馈路径。第一放大器110的输出与电力线上相对中性线(参考线)测量的DM噪声成正比。
第二放大器114具有非反相输入，非反相输入耦合到噪声传感器的第二端子107。第二电阻器103的第一端子耦合到第二放大器114的反相输入。第二电阻器103的第二端子耦合到第二电容器105的第一极板。第二电容器105的第二极板耦合到噪声传感器的第三端子108。第二反馈电阻器R3116连接在第二放大器114的输出和第二放大器114的反相输入之间以提供反馈路径。在第二放大器114输出处的信号与CM噪声和DM噪声之差(CM-DM)成正比。
第三放大器118被配置为在其反相输入处接收来自第一和第二放大器110、114的输出的信号。第一放大器110的输出经由第一通道电阻器R5120耦合到第三放大器118的反相输入。第二放大器114的输出经由第二通道电阻器R6122耦合到第三放大器118的反相输入。第三放大器118有效地将来自第一和第二放大器110、114的信号求和。第三放大器的非反相输入耦合到噪声传感器的第二端子107。第三反馈电阻器R7124连接在第三放大器118的输出和第三放大器118的反相输入之间以提供反馈路径。
理论上说，期望第三放大器118的输出与共模噪声成正比。然而所发现的是，针对图1所示的噪声传感器的至少一些实际的实现，难以获得共模噪声的可靠读数。第一放大器110和第二放大器114的信号前进路径长度因它们不同的放大值而不同。因此，由第三放大器118累加的信号中存在相对相移。信号传播时间的不同意味着将来自第一放大器110的DM与来自第二放大器114的CM’-DM’(符号(prime)表示相移)相加会导致第三放大器提供的输出与CM’-DM’+DM成正比，而不是与期望的CM信号成正比。
图2示出共模噪声传感器10，共模噪声传感器10具有单放大路径12以确定电源信号中的共模噪声。单放大路径12包括用于从电源接收第一信号16的第一端子6和用于从电源接收第二信号20的第二端子7。提供单放大路径12意味着消除并行放大路径之间的相移(例如通过图1中第一和第二放大器)所引起的困难。
电源可以是具有交流电流输入的电源，如图1所示。在交流电流情形中，第一和第二端子6、7每一个被配置为耦合到电源的相位端子和中性端子中的一个。备选地，电源可以是具有直流电流输入的电源。在直流电流的情形中，第一和第二端子6、7每一个被配置为耦合到电源的正极端子和负极端子中的一个。
放大器级22连接到第一和第二端子6、7并具有输出24。电阻器网络26连接到放大器级22。布置电阻器网络26使得放大器级22被配置为在其输出24处提供输出信号28，在输出信号28中，相比第一和第二信号16、20中的共模(CM)噪声，放大器级22更优先抑制第一和第二信号16、20中的差模(DM)噪声。优选地，因为电阻器网络26的布置，放大器级22消除DM噪声，使得输出信号28仅代表CM噪声。
图3示出用于CM噪声传感器10a(如参考图2所示)的电路图。CM噪声传感器10a连接到电源。电源可以是具有交流电流输入或直流电流输入的电源。第一端子6被配置为直接连接到相电源P 16。第二端子7被配置为直接连接到中性电源N 20。中性电源N和相电源P可以互换，同时所提出的电路仍执行相同的功能。P和N还可以是具有直流电流输入的电源的正极和负极端子。CM噪声传感器10a还具有耦合到电源的保护接地PE的第三端子8。
放大器级22可以由运算放大器提供，运算放大器被配置为接收参考中性线N(或者备选地，直流源或电路接地的负极线)的电压源29。运算放大器具有反相输入和非反相输入。反相输入经由滤波电容器C1连接到第一端子6。滤波电容器C1使放大器级22能够电容性地耦合到相电源16。可以选择滤波电容器C1值使得阻止电源电压但是允许高频噪声通过。根据传感器的应用或位置，滤波电容器C1可以是常规电容器或x电容器。电容器单元可以更便宜、更小并且不像电感传感器和耦合器那样强制带宽限制。根据传感器的应用，滤波电容器C1是可选的。
电阻器网络26包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4。第一电阻器R1与滤波电容器C1串联在噪声传感器10的第一端子6和放大器22的反相输入之间。第二电阻器R2连接在放大器22的输出和放大器22的反相输入之间。第三电阻器R3连接在放大器的非反相输入和连接到电源保护接地PE的第三端子8之间。可选电容器Cy1被提供为与第三电阻器R3串联在非反相输入和接地之间。出于安全性原因，该电容器典型地被提供为y电容器。第四电阻器R4连接在放大器22的非反相输入和噪声传感器的第二端子7之间。
可以为电阻器网络26的组件选择合适的值，使得DM噪声被消除并且输出信号仅代表CM噪声。如下文所讨论的，为了确定合适的值，重新布置用于描述放大器级22的操作的等式。在该实施例中，输出24的参考与电压源29的参考相同。
假设在噪声信号频率范围内电容器C1和Cy1的阻抗相比R1和R3是可忽略的。因此，在以下分析中考虑用短路取代电容器C1和Cy1。
针对图3所示的电阻器网络的布置，计算在CM输出24处参考中性线N的电压UOUT，N，如下：
其可以重新布置为：
对于理想情形下DM部分的完全抑制(消除)，以上用于UOUT，N的等式的第二个括号必须为0。这就直接导出：
-R2(R3+R4)-R2R3+R4R2＝0.
因此，R1由以下等式给出：
否则，即使在理想条件下，DM噪声导致在CM噪声输出处的信号。
可以理解，该CM噪声传感器使得能够确定不需要的DM噪声的成分并用于减少所检测的CM噪声。在现有技术中已知，可以提供噪声消除设备，噪声消除设备被配置为基于来自放大器级22的输出信号抵消噪声信号。所提出的噪声传感器可以是EMI滤波器的一部分。
可以提供与放大器级22串联的附加放大器级，以增加噪声传感器的增益。这种修改后的噪声传感器仍可被认为仅有单个放大路径。
图4示出CM噪声传感器10b的另一个实施例的电路图，CM噪声传感器10b与图3所示的噪声传感器类似。电阻器网络26包括第五电阻器R5。第一电阻器R1可以被认为在节点处连接到滤波电容器C1。第五电阻器R5连接在该节点和噪声传感器10b的第二端子7之间。已发现，提供第五电阻器R5或等同装置可用于解释放大器级22内部的非理想效应，从而提供对在输出24处的CM噪声的更为精确的估计。用于第五电阻器R5的合适值是应用专用的且可以通过基础试验得到。
图5示出CM噪声传感器10c的另一个实施例的电路图，CM噪声传感器10c与图3所示的噪声传感器类似。噪声传感器10c耦合到具有DC输入的电源，在该示例中，如现有技术中已知的，使用整流器27从具有AC输出的电源提供该DC输入。第一端子6耦合到正极电源线16。第二端子7耦合到负极电源线20。放大器级的电压源参考负极电源线20。整流器27(或第一和第二端子6、7)的极性可以反转而不影响CM噪声传感器10c的功能。

Claims (11)

1.一种具有单放大路径的共模噪声传感器，包括：
第一端子和第二端子，用于从电源接收相应的第一信号和第二信号；
放大器级，连接到所述第一端子和第二端子并具有输出，所述放大器级具有反相输入和非反相输入，其中所述反相输入经由滤波电容器连接到所述第一端子；以及
电阻器网络，连接到所述放大器级，所述电阻器网络被布置为使所述放大器级的输出被配置为提供输出信号，在所述输出信号中所述第一信号和第二信号中的差模噪声比所述第一信号和第二信号中的共模噪声优先被抑制；
所述电阻器网络包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，所述第一电阻器与所述滤波电容器串联在所述第一端子和所述反相输入之间，所述第二电阻器连接在所述输出和所述反相输入之间，所述第三电阻器连接在所述非反相输入和接地之间，所述第四电阻器连接在所述非反相输入和所述第二端子之间；
其中所述第一电阻器的电阻R1为：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
其中R2是所述第二电阻器的电阻，R3是所述第三电阻器的电阻，R4是所述第四电阻器的电阻。
2.根据权利要求1的共模噪声传感器，其中由于所述电阻器网络的布置，所述放大器级消除所述差模噪声，使得所述输出信号代表所述共模噪声。
3.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中所述第一端子和第二端子被配置为直接连接到或电容性耦合到所述电源。
4.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中所述输出信号中共模噪声与差模噪声的比值大于10。
5.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中提供在所述非反相输入和接地之间与所述第三电阻器串联的电容器。
6.根据权利要求5的共模噪声传感器，其中所述电容器是y电容器。
7.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中所述电阻器网络包括第五电阻器，所述第一电阻器在节点处连接到所述滤波电容器，所述第五电阻器连接在所述节点和所述第二端子之间。
8.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中所述电源具有交流电流源输入，并且所述第一端子和第二端子每一个配置为耦合到所述电源的相位端子和中性端子中的一个或者所述电源的桥整流器的正极端子和负极端子中的一个。
9.根据权利要求8的共模噪声传感器，其中所述放大器级的电压源参考中性线、负极端子或者电路接地。
10.根据权利要求1或2的共模噪声传感器，其中所述共模噪声传感器不包括电感器。
11.一种噪声消除设备，包括前述任意一项权利要求的共模噪声传感器。
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