CN112415298A - 一种基于时域测量的传导电磁干扰分离的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术方法,其原理是通过对线性阻抗稳定网络输出信号进行时域采样，然后根据差模干扰和共模干扰的定义，使用数值计算方法实现传导干扰的软件分离和频谱输出，最后通过测试实验完成传导干扰分离效果的评估。与一般标准传导干扰测试方法相比，该方法使用数字示波器代替昂贵的EMI接收机，且无需专门的传导干扰分离网络设备，可以极大降低测试系统硬件成本，适用于传导电磁干的扰测试与整改使用。

Description

一种基于时域测量的传导电磁干扰分离的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于时域测量的传导电磁干扰分离的实现方法。属于电磁干扰测试技术领域。

背景技术

随着电力电子设备的大量使用和现代开关器件工作频率的不断升高及输出功率的不断增大，电力线传输系统中的传导电磁干扰(Electromagnetic Interference)问题不断涌现，因此电磁干扰噪声的有效测量和抑制逐渐成为电磁兼容研究中的一个研究热点。在目前功率变换器的电磁干扰研究领域，无源EMI滤波器设计是抑制系统传导干扰最有效的方法。针对某个特定的系统，在设计EMI滤波器时需要根据其噪声特征进行专门设计，根据电磁干扰的形成机理，电磁干扰通常分为差模干扰和共模干扰，其主要区分特征是两者形成的回路不同，在EMI滤波器设计时同样需要分为差模和共模两个方向进行专门设计。目前国际上规定的传导电磁干扰测量设备为线性阻抗稳定网络(Line ImpedanceStabilization Network)，其所测量得到的是差模和共模的汇合信号，因此将LISN所测得的噪声信号分离为差模和共模信号是抑制电磁干扰首先要解决的问题。

为解决上述问题，国内外先后提出了以射频变压器为核心器件的传导EMI噪声分离网络。这些网络虽然可以初步实现对噪声的分离,但由于采用变压器作为主要分离器件,因此在高频条件下因杂散效应影响将产生较明显的性能衰退现象。美国提出了采用0°/180°功分器取代变压器的分离网络,但在实际使用时，220V交流电对地电压不对称容易使功分器进入饱和状态造成信号失真，一定程度上影响了其推广使用。另一方面借助计算机数值计算功能，提出了传导干扰软分离方法，由于仍然需要单模分离网络,因此该方法实际只能称半软分离方法。近年来随着人工智能算法的推广应用，又提出了双/单通道传导电磁干扰噪声盲源分离方法，实验证明其分离性能取决于小波函数的选取，由于传导干扰噪声先验信息的不确定性影响，该方法在实际测试时测量结果的重复性和稳定性有待验证。

传统干扰分离技术的测试原理如图1所示，首先使用LISN耦合电源线干扰信号，如图1所示，LISN允许50Hz或60Hz的电源信号输入到被测设备(EUT)而无衰减，但不允许外部噪声信号通过，被测设备产生的噪声信号被过滤耦合到LISN的监测输出端。电源相线L和中线N出现的传导干扰信号电压与差模和共模电压的关系用向量形式表示：

由上式可知，若把LISN输出的监测信号直接输入到EMI接收机，则接收机所测到的噪声信号实际上是共模和差模信号的和或差。因此需要再增加专门的噪声分离网络，分别耦合出差模和共模干扰信号，再使用EMI接收机进行测量。由于噪声分离网络和EMI接收机价格昂贵，多用于标准电磁兼容实验室，受限于使用成本，一般现场传导干扰测试排查难以推广应用。

同样作为软件分离方法，使用传导干扰软分离方法，其基本原理如下：对上式(1)两边取模，可得

其中Δθ为

和

的相位差，对式(2)进行化解可得

由于

和

可以从LISN监测端直接测得，因此可以先求出

则

可通过上式(3)计算求得，这里

的获得需使用专门的差模抑制网络，这种方法在理论是可行的，但在实际操作过程中是存在明显问题的，其主要原因在于上式(3)中各分量都是随机噪声信号，要想上式(3)成立，其3个已知分量信号必须同时测得，这不仅需要3台极其昂贵的EMI接收机，还需要接收机进行同步测量，且在测试

时需要把

和

同时作为输入信号，上述三个信号同时输出都是困难的，因此该方法在实际测试应用中基本很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术,作为完全软件分离方法，与上述半软分离方法相比，无需单模分离网络支持，单次测量便可直接给出差模和共模信号频谱，具有更高的现场测试效率。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于时域测量的传导电磁干扰分离的实现方法，首先将LISN的相线L监测端输入到示波器通道1，中线N监测端输入到通道2。示波器对输入信号进行时域采样，计算机对采集到的时域信号执行相加和相减操作，得到信号如下：

通过对获得的上式(1)采样数据进行FFT计算可以求得一个时变信号的频谱，下面给出使用FFT计算幅度和功率谱的计算过程。对长度为N的时间序列x[n]进行DFT，求得S[f]如下：

由于被测信号为随机噪声信号，直接使用上式(2)计算将难以获得稳定的测量结果，因此这里采用Welch方法来获得随机信号的功率谱密度估计，其本质是修正周期图方法的一种，其原理是通过对采样数据分段重叠及加窗等技术，达到降低谱估计方差的目的。具体过程是：将N个采样数据{x(0),x(1),…,x(N-1)}分为K段，每段数据长为L，其中有L-D个数据为相邻重叠数据，即N＝L+D(K―1)，第i段L个数据为：x_i(n)＝x(n+iD)，其中n＝0,1,…,L―1，i＝0,1,…,K―1，对每一段数据进行加窗处理，并分别计算功率谱：

式中：

为数据窗w(n)的能量修正参数，通过对上式进行平均处理，获得N个数据的Welch谱估计

假设上式计算结果为功率谱密度，为了获得传导干扰信号频谱，需进行测量结果的单位转换和幅度修正，具体步骤如下：

(1)功率谱密度φ转化为功率谱P

其中F_s为时域信号采样率，L为FFT计算数据长度，两者相除表示模拟带宽，λ为FFT功率修正系数。

(2)功率谱P转化为幅度谱V

其中R为示波器输入阻抗，取50Ω。

(3)线性单位转化为对数单位

V_mag(dBμV)＝20log₁₀V+120 (7)

(4)结果修正

V_DM＝V_mag(dBμV)―DMIL (8)

V_CM＝V_mag(dBμV)―CMIL (9)

其中DMIL和CMIL分离网络差模插入损耗和共模插入损耗，可通过系统校准获得，修正计算时需通过线性插值算法计算每个频点的修正值，并带入上式(8)和(9)进行计算。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明提出一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术，其原理是通过对LISN输出信号进行时域采样，然后根据差模干扰和共模干扰的定义，使用数值计算方法实现传导干扰的软件分离和频谱输出，最后测试实验证明该传导干扰分离方法是切实可行的。

2)与标准传导干扰测试方法相比，该方法使用数字示波器代替昂贵的EMI接收机，而且无需独立的CM-DM分离网络，可以极大降低测试系统硬件成本，适用于电磁干扰预兼容测试或后期整改测试使用。

3)与半软分离方法相比，本发明提出的方法实现了传导干扰全软分离，无需单模分离网络,且不存在半软分离方法的测量同步难题，经验证该方法在现场传导干扰测试排查工作中具有较高的实用价值。

附图说明

图1为一般传导干扰分离测试原理图。

图2为本发明实施例中基于时域测量的传导干扰分离测试原理图。

图3为本发明实施例中传导干扰分离测试程序流程图。

图4为本发明实施例中分离网络的性能测试连接框图。

图5为本发明实施例中分离网络性能测试结果图。其中，上方线条为DMIL(差模插入损耗)，下方线条为CMRR(共模抑制比)。

图6为本发明实施例中分离网络性能测试结果图。其中，上方线条为CMIL(共模插入损耗)，下方线条为DMRR(差模抑制比)。

图7为本发明实施例分离网络实测验证结果中滤波前差模传导干扰频谱图。

图8为本发明实施例分离网络实测验证结果中滤波前共模传导干扰频谱图。

图9为本发明实施例分离网络实测验证结果中滤波后差模传导干扰频谱图。

图10为本发明实施例分离网络实测验证结果中滤波后共模传导干扰频谱图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图4所示，本实施例提供一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术的测试系统校准过程，包括两个方面，一是噪声分离与测试系统，包括两台常州多极LNF102A50型LISN，一台泰克TDS3052B数字示波器，构建传导电磁干扰分离测试实验平台，为保证实验满足检测规范^[15]要求，使用一块3mm不锈钢接地平板和一台500W隔离变压器提升用电安全；二是噪声模拟输出，包括一台函数发生器33250A，一个180°功分器，用于模拟差模传导干扰噪声，一个0°功分器，用于模拟共模传导干扰噪声。

下面校准步骤，函数发生器输出正弦波信号，幅度设为3V峰峰值，频率按测试结果表频率顺序输出；180°功分器模拟差模噪声信号输出，随后差模噪声输入到LISN电源输出端，LISN监测端信号分别输入到数字示波器两个输入通道，示波器输入通道耦合选择AC耦合、采集模式设为16次平均、垂直档位使用AutoSet自动设置，水平档位由计算机测量程序控制，最后计算机读取示波器的测量波形并计算测量结果。需要注意的是LISN供电输入端不加电。

最后数据处理，设计算机数据处理后所得差模信号幅度为V₁，共模信号幅度为V₂，在此基础上去掉两个LISN进行直接测试差模信号幅度为V₀，则有

DMIL＝20log(V₁/V₀)

CMRR＝20log(V₂/V₀)

最终差模干扰分离性能校准结果如下表1所示，图形表示如图5所示。

表1差模干扰分离性能校准结果表

使用0°功分器代替180°功分器，重复上述校准步骤，最终共模干扰分离性能校准结果如下表2所示，图形表示如图6所示。

表2共模干扰分离性能校准结果表

根据校准结果可知，分离网络的插入损耗在10kHz至100kHz频率范围内，存在较大损耗，影响因素主要来源两个方面，一是LISN在该频率范围内输入阻抗与标准50Ω存在较大差异，阻抗失配将导致信号衰减或损耗；二是数字示波器使用AC耦合，其对100kHz以下频率信号亦有明显抑制效果，这里使用AC耦合主要是为了抑制电源线50Hz低频交流信号在LISN监测输出端的残余成分，因此在实际测试时需对测量结果进行修正处理。对于差模抑制比和共模抑制比，除个别频率点外基本小于30dB，能够满足一般电磁干扰现场测试使用需求。

下面，参考分离网络主要应用场合，验证分离网络的实测效果，以特定电气设备的传导干扰信号为测试对象，通过比较加载EMI滤波器前后的信号变化验证分离网络的使用效果，测试参数包括差模干扰和共模干扰的信号频谱。

测试设备包括两个方面，一是噪声分离与测试系统，按图2配置；二是噪声模拟输出，某型LED台灯和B3LB-6A EMI滤波器，用于生成典型传导干扰噪声，具体系统测试连接原理框图如图4所示。

下面测试步骤，首先220V交流电源通过LISN受试端给被测设备台灯供电，使用示波器测量LISN监测端输出干扰信号，通过计算机信号处理获得滤波前差模和共模干扰信号频谱；其次，在LISN和被测设备之间加入EMI滤波器，再次测量滤波后差模和共模干扰信号频谱。其它设置方面，示波器输入通道耦合选择AC耦合，垂直档位使用20mV/格，水平档位由计算机测量程序控制。

实测结果如图7-10所示，图中黑色直线为标准参考限值，由图可知，滤波器前被测设备的差模和共模干扰比较明显，两相比较差模比共模干扰更强，幅度相差约10dB，若考虑6dB安全裕量，则上图7差模传导干扰将可能超标；经EMI滤波后，传导干扰信号均明显减少约10dB，在10kHz至1MHz频率范围内差模和共模干扰抑制效果明显；最后比较黑色直线参考限值与实测信号的平均噪声电平，两者相差约30dB，说明本文所设计传导干扰噪声分离测试系统自身显示平均噪声电平较低，这对于分辨低电平噪声是有利条件。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于时域测量的传导电磁干扰分离的实现方法，其特征在于：首先将LISN的相线L监测端输入到示波器通道1，中线N监测端输入到通道2，示波器对输入信号进行时域采样，计算机对采集到的时域信号执行相加和相减操作，得到信号如下：

其中：

为差模电压，

为共模电压，

为电源相线L的传导干扰信号电压，

为电源相线N的传导干扰信号电压；

通过对获得的上式(1)采样数据进行FFT计算求得一个时变信号的频谱，具体为对长度为N的时间序列x[n]进行DFT，求得S[f]如下：

将N个采样数据{x(0),x(1),…,x(N-1)}分为K段，每段数据长为L，其中有L-D个数据为相邻重叠数据，即N＝L+D(K―1)，第i段L个数据为：x_i(n)＝x(n+iD)，其中n＝0,1,…,L―1，i＝0,1,…,K―1，对每一段数据进行加窗处理，并分别计算功率谱：

式中：

为数据窗w(n)的能量修正参数，通过对上式进行平均处理，获得N个数据的Welch谱估计

假设上式计算结果为功率谱密度，为了获得传导干扰信号频谱，需进行测量结果的单位转换和幅度修正，具体步骤如下：

1)功率谱密度φ转化为功率谱P

其中F_s为时域信号采样率，L为FFT计算数据长度，两者相除表示模拟带宽，λ为FFT功率修正系数；

2)功率谱P转化为幅度谱V

其中R为示波器输入阻抗，取50Ω；

3)线性单位转化为对数单位

V_mag(dBμV)＝20log₁₀V+120 (7)

4)结果修正

V_DM＝V_mag(dBμV)―DMIL (8)

V_CM＝V_mag(dBμV)―CMIL (9)

其中DMIL和CMIL分离网络差模插入损耗和共模插入损耗。

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