CN1971292A - 开关电源emi噪声源内阻抗测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，由线阻抗稳定网络、共模/差模阻抗测试模块、信号发生器和频谱分析仪构成；电源线直接输入到线阻抗稳定网络中，通过共模/差模阻抗测定模块，而后输入到开关电源及负载中，构成一整条电源回路；信号发生器为共模/差模阻抗测试模块提供一输入信号，而后由频谱分析仪对该模块中的响应信号进行检测。同时还公开了利用本发明装置测定开关电源EMI噪声源内阻抗的方法。本发明装置和方法，既可以针对各类噪声源进行通用内阻抗测试，也可以对各种未知阻抗进行测试，精度较高，且操作简单。通过该测试方法，可以对内阻抗的性质进行判断，进一步为EMI滤波器的设计提供前提，即在滤波器设计时满足滤波器的阻抗匹配特性。

Description

开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及的是对传导性电磁干扰(EMI)噪声源的内阻抗进行测定的装置和测定方法，为传导性EMI噪声的抑制即EMI滤波器的设计提供前提基础，属于电磁兼容设备设计和的技术领域。

背景技术

EMI滤波器是抑制电磁干扰的有效措施，但目前国内外在进行EMI滤波器设计时，事先并不知道噪声源的内部干扰源和阻抗，设计时往往忽略了噪声源的内阻抗，进行一种通用的EMI滤波器设计。由于各噪声源的内阻抗并不相同，而干扰源阻抗和滤波器阻抗之间的匹配关系直接影响到滤波器的滤波效果，因此，准确估计开关电源内部阻抗对于电磁干扰的有效抑制有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述电磁兼容中EMI滤波器的阻抗匹配问题而提出的开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置及测定方法，它可以为企业和产品设计工程师提供完善而经济实用的噪声源测试解决方案，本发明既可以满足噪声源建模的一般性要求，将实际测试与理论结果进行对比，同时又可以为下一步EMI滤波器的设计、EMI噪声的有效抑制提供良好的前提条件。

本发明开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，由线阻抗稳定网络(LISN)、共模/差模阻抗测试模块、信号发生器和频谱分析仪构成；从电网过来的电源线直接输入到线阻抗稳定网络(LISN)中，通过共模/差模阻抗测定模块，而后输入到开关电源(SMPS)及负载中，构成一整条电源回路；信号发生器为共模/差模阻抗测试模块提供一输入信号，而后由频谱分析仪对该模块中的响应信号进行检测。

在电源回路中，线阻抗稳定网络(LISN)的作用是为开关电源提供电源，同时隔离电源侧的噪声进入测试回路，也隔离开关电源产生的噪声，防止污染电网，并且为测试回路提供一个50Ω的稳定阻抗。共模/差模阻抗测试模块用于测量开关电源的内阻抗，开关电源是待测设备。

所述共模阻抗测试模块，由一对共模扼流圈、两个电容以及两个电流探头组成，其中一个为注入式电流探头，一个为检测式电流探头；两个电容分别接在L-E、N-E之间。

从电网过来的电源线L、N、E直接输入到线阻抗稳定网络中，线阻抗稳定网络输出的L、N线通过一对共模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源，两个电容分别接在L-E、N-E之间。两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。通过电路中接入固定阻抗、短路、开关电源正常工作三种状态读取检测试电流探头上的读数，并根据相应的算法对开关电源的内阻抗进行计算。

为使该测试电路的内部阻抗Z_in可重复进行测量并尽量保持恒定，这两电容固定在印刷电路板上，同时注入式和检测式电流探头在电路板上也固定其位置；印刷电路板PCB与测试设备间为短线连接，以减小导线布局引起的寄生效应，所述短线连接是指现有连接工艺能够做到的最短连接。这种位置固定的测试，其优点是一旦电路校准后，测得的测试电路内部阻抗Z_in不但适用于共模测试，同样也适用于差模测试，可大大提高测试的速度。

所述差模阻抗测试模块，由两个差模扼流圈、两个电容以及两个电流探头组成；从电网过来的电源线L、N、E直接输入到线阻抗稳定网络中，线阻抗稳定网络输出的L、N线分别通过1个差模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源，两个电容并联接在L-N之间；两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。

本发明开关电源EMI噪声源内阻抗测定方法，其测定步骤如下：

步骤1：首先将SMPS从主电路移走，将L与N线短接，接入一固定阻抗R_std，该阻抗一端接L与N线的短接点，另一端接E线；主电路中线阻抗稳定网络不通电，调节信号发生器的输出频率，在传导电磁兼容测试标准10K-30MHz范围内取若干个点，分别读取相应的频谱仪上的读数，记录频谱仪读数A1；

步骤2：将R_std移走，并将L与N线的短接点与E线短路，主电路中线阻抗稳定网络不通电，调节信号发生器的输出频率，与上述1中的频率点对应，记录频谱仪读数A2；

步骤3：将SMPS接入线路中，开启主电路电源，调节信号发生器的输出频率，与上述1中的频率点对应，记录频谱仪读数A3；

步骤4：开关电源噪声源内阻抗的计算。

本发明装置和方法，既可以针对各类噪声源进行通用内阻抗测试，也可以对各种未知阻抗进行测试，精度较高，且操作简单，仅通过电路在标准阻抗、短路和正常工作三种情况下获取的检测式电流探头读数，就可以计算出待测噪声源阻抗的值。通过该测试方法，不但可以确定噪声源的内阻抗值，还可以通过计算得到内阻抗的幅值和相位信息，从而可以对内阻抗的性质进行判断，得出内阻抗是容性的还是感性的，进一步为EMI滤波器的设计提供前提，即在滤波器设计时满足滤波器的阻抗匹配特性，从而有效的对电磁干扰进行抑制，使之满足EMC标准。

附图说明

图1是本发明开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置结构框图；

图2是本发明开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置(共模内阻抗测试)电路图；

图3是本发明开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置(差模内阻抗测试)电路图；

图4是噪声源共模内阻抗测试曲线；

图5是噪声源差模内阻抗测试曲线；

图6是计算机解算程序框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1和2所示，开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，由线阻抗稳定网络(LISN)、共模阻抗测试模块、开关电源(SMPS)及负载、信号发生器和频谱分析仪构成。从电网过来的电源线直接输入到线阻抗稳定网络(LISN)中，通过共模阻抗测定模块，而后输入到开关电源及负载中，构成一整条电源回路。信号发生器为共模阻抗测试模块提供一输入信号，而后由频谱分析仪对该模块中的响应信号进行检测。

共模阻抗测试模块由一对16mH的共模扼流圈、两个1uF的电容以及两个电流探头组成，其中一个为注入式电流探头，选择泰克公司的CT2，一个为检测式电流探头，选择泰克公司的CT1。两个1uF的电容分别接在L-E、N-E之间，为使该测试电路的内部阻抗Z_in可重复进行测量并尽量保持恒定，这两电容必须固定在印刷电路板上，同时注入式和检测式电流探头在电路板上也必须有其固定位置。印刷电路板PCB与测试设备间的连线必须尽量的短，以减小导线布局引起的寄生效应。这种位置固定的测试，其优点是一旦电路校准后，测得的测试电路内部阻抗Z_in不但适用于共模测试，同样也适用于差模测试，可大大提高测试的速度。

线阻抗稳定网络采用国际标准结构(如图2所示)，由2个50uH的电感分别串联在L和N线上；2个1uF的电容位于电感输入端(左侧)，分别并联在L-E和N-E之间；2个0.1uF的电容和2个1KΩ、2个50Ω的电阻位于电感输出端(右侧)，1KΩ和50Ω并联后与0.1uF的电容串联，而后分别跨接在L-E和N-E之间。开关电源采用科日开关电源(KRO960AA，AC-DC)，信号发生器采用LOADSTAR SG-4162AD，频谱分析仪采用固纬GSP-827。

从电网过来的电源线L、N、E直接输入到线阻抗稳定网络中，线阻抗稳定网络输出的L、N线通过一对共模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源，两个1uF的电容分别接在L-E、N-E之间。两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。通过电路中接入固定阻抗、短路、开关电源正常工作三种状态读取检测试电流探头上的读数，并根据相应的算法对开关电源的内阻抗进行计算。

实施例2：

如图1和3所示，开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，由线阻抗稳定网络(LISN)、差模阻抗测试模块、开关电源(SMPS)及负载、信号发生器和频谱分析仪构成。从电网过来的电源线直接输入到线阻抗稳定网络(线阻抗稳定网络采用国际标准结构)，通过差模阻抗测定模块，而后输入到开关电源及负载中，构成一整条电源回路。信号发生器为共模阻抗测试模块提供一输入信号，而后由频谱分析仪对该模块中的响应信号进行检测。

差模阻抗测试模块由两个350uH差模扼流圈、两个1uF的电容以及两个电流探头组成。从电网过来的电源线L、N、E直接输入到线阻抗稳定网络中，线阻抗稳定网络输出的L、N线分别通过1个差模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源，两个1uF的电容并联接在L-N之间。两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。仍通过电路中接入固定阻抗、短路、开关电源正常工作三种状态读取检测试电流探头上的读数，并根据相应的算法对开关电源的内阻抗进行计算。

实施例3：

以科日开关电源为例，进行测试，实验装置如图1所示，分别在电路处于接标准阻抗、短路和开关电源正常工作的情况下进行测试，对于开关电源噪声源内阻抗的测试，主要分共模、差模两种情况进行测试，这两种情况除阻抗测试模块有区别，测试方法及步骤都是一致的。

步骤1：首先将SMPS从主电路移走，将L与N线短接，接入一固定阻抗R_std(一般取500Ω)，该阻抗一端接L与N线的短接点，另一端接E线。主电路中线阻抗稳定网络不通电，调节信号发生器的输出频率，在传导电磁兼容测试标准10K-30MHz范围内取若干个点，分别读取相应的频谱仪上的读数，记录频谱仪读数A1。

步骤2：将R_std移走，并将L与N线的短接点与E线短路，主电路中线阻抗稳定网络不通电，调节信号发生器的输出频率，与步骤1中的频率点对应，记录频谱仪读数A2。

步骤3：将SMPS接入线路中，开启主电路电源，调节信号发生器的输出频率，与步骤1中的频率点对应，记录频谱仪读数A3。

步骤4：开关电源噪声源内阻抗的计算。

由于V_sig和Z_sig分别是信号发生器的输出电压和内阻抗，I_p是注入式电流探头的输入电流，L_p、L_w和M分别是一次侧、二次侧的自感和互感。V_w是注入式电流探头输入电压信号，I_w是注入式电流探头在回路中感生的电流。则：

V_sig＝(Z_sig+jwL_p)I_p-jwMI_w                                            (1)

V_W＝-jwMI_p+jwL_wI_w                                                        (2)

从(1)、(2)式将I_p消去：

V_W＝V_M1-Z_M1I_w                                                            (3)

在这里，Z_M1＝-[jwL_w+((wM)²/Z_sig+jwL_p)]，V_M1＝-(jwM/(Z_sig+jwL_p))V_sig。公式(3)表明，注入式电流探头可以用等效的电压源V_M1和电压源内阻抗Z_M1代替。Z_M2是由于检测式电流探头而存在的互感，Zc为电路自身存在的耦合阻抗，Zx为待测阻抗。于是可得：

V_M1＝(Z_M1+Z_M2+Z_C+Z_x)I_w                                                   (4)

令Z_in＝Z_M1+Z_M2+Z_C，则公式(4)变为：

V_M1＝(Z_in+Z_x)I_w                                                          (5)

通过公式(5)，未知阻抗Z_x可以用下式表示：

$Z_x=\frac{V_{\mathrm{Ml}}}{I_w}-Z_{\mathrm{in}}---\left(6\right)$

检测式电流探头中通过的电流I_w由下式决定

$I_w=\frac{V_{p2}}{Z_{T2}}---\left(7\right)$

这里V_p2是检测式电流探头所测得的电压，Z_T2是该探头校准后的转移阻抗。

将V_M1＝-(jwM/(Z_sig+jwL_p))V_sig和(7)代入(6)中

$Z_x=\left(\frac{-\mathrm{jwM}{V}_{\mathrm{sig}}}{Z_{\mathrm{sig}}+\mathrm{jw}{L}_p}\right)\frac{Z_{T2}}{V_{p2}}-Z_{\mathrm{in}}---\left(8\right)$

令K＝(-jwMZ_T2/(Z_sig+jwL_p))，公式(8)可简化为：

$Z_x=\frac{K{V}_{\mathrm{sig}}}{V_{p2}}-Z_{\mathrm{in}}---\left(9\right)$

保持信号发生器输出V_sig不变，对于一个给定频率来说KV_sig是一固定的系数。如果有一已知阻值的高精度电阻R_std＞＞|Z_in|，并用该电阻取代Z_x，则固定系数KV_sig可通过下式得到：

KV_sig≈R_stdV_p2|Z_x＝R_std                                              (10)

要测Z_in，将Z_X短路，得

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{K{V}_{\mathrm{sig}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=0}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{V}_{p2}{|}_{Z_x=R_{\mathrm{std}}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=0}}---\left(11\right)$

最后将开关电源接入电路并打开电源，则开关电源的内阻抗为：

$Z_x=\frac{K{V}_{\mathrm{sig}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=\mathrm{SMPS}}}-Z_{\mathrm{in}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{V}_{p2}{|}_{Z_x=R_{\mathrm{std}}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=\mathrm{SMPS}}}-Z_{\mathrm{in}}---\left(12\right)$

第一阶段：Zin的计算

这里假定

Z_i(ω)＝R_stdV_p2|Z_x＝R_std                                             (13)

Z₂(ω)＝V_p2|Z_x=0                                  (14)

Z₃(ω)＝V_p2|Z_x＝SMPS                               (15)

则

$Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_2\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(16\right)$

$Z_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_3\left(\mathrm{\ω}\right)}-\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_2\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(17\right)$

那么 $\left|Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{\left|Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}{\left|Z_2\left(\mathrm{\ω}\right)\right|},$ 根据测量得到的|Z₁(ω)|和|Z₂(ω)|的值，就可以得到|Z_in(ω)|的值。根据|Z_in(ω)|的值，作出|Z_in(ω)|的不同频率点的模值曲线。

1、若绘制的曲线是一水平直线，则表示阻抗为纯电阻，电阻值为曲线的纵坐标值

2、若绘制的曲线是一条斜率大于0的直线，则表示阻抗为纯电感，进行曲线拟合，根据Z＝jwL，得出L的值

3、若绘制的曲线是一条斜率小于0的直线，则表示阻抗为纯电容，进行曲线拟合，根据Z＝1/jwC，得出C的值

4、若绘制的曲线在低频段为一水平直线，高频段为一斜率大于0的直线，则表示阻抗为电阻加电感型，电阻值为低频段水平直线的纵坐标，电感值通过高频段曲线的纵坐标进行计算Z＝R+jwL，得出L的值假定测量到的Z_in＝R_in+jX_in，通过曲线，分别得到R_in和X_in的值。

第二阶段|Zin+Z_X|的计算

$Z_x\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{z_3\left(\mathrm{\ω}\right)},$ 则 $|Z_x\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)|=\frac{{|Z}_1\left(\mathrm{\ω}\right)|}{{|Z}_3\left(\mathrm{\ω}\right)|},$ 根据测量得到的|Z₁(ω)|和|Z₃(ω)|的值，就可以得到|Z_X(ω)+Z_in(ω)|的值。

假设Z_X＝R_X+jX_X                                 (18)

则 $|Z_X\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)|=|R_X+R_{\mathrm{in}}+j(X_X+X_{\mathrm{in}})|=\left|\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right|---\left(19\right)$

第三阶段Z_X的计算

这里根据Z_X的不同阻抗特性分几种情况加以讨论：

1、Z_x为大电阻时，R_X□R_in，则R_X+R_in≈R_X

$|Z_X\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)|=|R_X+j{X}_{\mathrm{in}}|=\left|\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right|---\left(20\right)$

2、Z_x为小电阻时

$|Z_X\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)|=|(R_X+R_{\mathrm{in}})+j{X}_{\mathrm{in}}|=\left|\frac{Z_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right|---\left(21\right)$

3、一般性SMPS的测试

(1)当为容性时(如CM阻抗的测试)

$\mathrm{Im}(Z_X+Z_{\mathrm{in}})=\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}},$ 由于C比较小，所以X_C□X_L，可以近似认为

$\mathrm{Im}(Z_X+Z_{\mathrm{in}})\≈\frac{1}{\mathrm{\ωC}}---\left(22\right)$

(2)当为感性时(如DM阻抗的测试)

Im(Z_X+Z_in)＝X_X+X_in                              (23)

在测试中，频谱仪测得的电压读数单位为dBuV，则频谱仪的读数 $A=201g\frac{V_{p2}}{1\mathrm{\μV}}$ dBμV，而 $V_{p2}={10}^{\frac{A}{20}}$ μV，最终

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{V}_{p2}{|}_{Z_x=R_{\mathrm{std}}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=0}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{10}^{\frac{A_1}{20}}}{{10}^{\frac{A_2}{20}}}=R_{\mathrm{std}}\×{10}^{\frac{A_1-A_2}{20}}---\left(24\right)$

$Z=Z_x+Z_{\mathrm{in}}=\frac{K{V}_{\mathrm{sig}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=\mathrm{SMPS}}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{V}_{p2}{|}_{Z_x=R_{\mathrm{std}}}}{V_{p2}{|}_{Z_x=\mathrm{SMPS}}}=\frac{R_{\mathrm{std}}{10}^{\frac{A_1}{20}}}{{10}^{\frac{A_3}{20}}}=R_{\mathrm{std}}\×{10}^{\frac{A_1-A_3}{20}}---\left(25\right)$

Z_x＝Z-Z_in                                       (26)

得出结果如图4、5所示。从图中可以看出噪声源的共模内阻抗随着频率的增高而减小，呈容性，经过拟和，可以得到共模内阻抗由一个1.2Ω的电阻和一个450pF的电容串联构成。差模内阻抗随着频率的增高而增大，呈感性，经过拟和，可以得到差模内阻抗由一个15Ω的电阻和一个1.8uH的电感串联构成。

当得知开关电源的共模/差模内阻抗后，就可以进行相应的滤波器设计。根据噪声源内阻抗、负载阻抗(已知)和滤波器结构写出滤波器的传递函数，其次确定滤波器的截止频率点、插入损耗、通带允许的最大差损，最后计算得出滤波器各元器件的值。

由于噪声源阻抗的大小是滤波器设计的重要依据，设计时只有当阻抗匹配，滤波器才能最大效率的发挥其滤波特性。反之，若噪声源的内阻抗未知，进行EMI滤波器设计时，就会将噪声源的内阻抗设为一个通用值(例如50Ω)，而进行一种通用滤波器的设计。由于各噪声源的类型是多种多样的，当采用通用的EMI滤波器时，必然会出现阻抗失配的问题，轻则使滤波器插入损耗减小，频率发生漂移；重则会使滤波器将噪声信号放大。所以，对各种不同类型的噪声源内阻抗进行测试，作为相应的滤波器设计基础，可以极大地提高滤波器的滤波特性，节约经济成本。

Claims (4)

1、一种开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，由线阻抗稳定网络、共模/差模阻抗测试模块、信号发生器和频谱分析仪构成；其特征是：电源线直接输入到线阻抗稳定网络中，通过共模/差模阻抗测定模块，而后输入到开关电源及负载中，构成一整条电源回路；信号发生器为共模/差模阻抗测试模块提供一输入信号，而后由频谱分析仪对该模块中的响应信号进行检测。

2、根据权利要求1所述的开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，其特征是：采用共模阻抗测试模块，所述共模阻抗测试模块由一对共模扼流圈、两个电容以及两个电流探头组成，其中一个为注入式电流探头，一个为检测式电流探头；两个电容分别接在L-E、N-E之间；线阻抗稳定网络输出的L、N线通过一对共模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源；两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。

3、根据权利要求2所述的开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，其特征是：所述两电容固定在印刷电路板上，同时所述注入式电流探头和检测式电流探头在电路板上也固定其位置；印刷电路板与测试设备间为短线连接。

4、根据权利要求1所述的开关电源EMI噪声源内阻抗测定装置，其特征是：采用差模阻抗测试模块，所述差模阻抗测试模块，由两个差模扼流圈、两个电容以及两个电流探头组成；线阻抗稳定网络输出的L、N线分别通过1个差模扼流圈输入到开关电源，而线阻抗稳定网络的输出E线直接输入到开关电源，两个电容并联接在L-N之间；两电容与E线相连的两根导线穿透两个电流探头，注入式电流探头接信号发生器，检测式电流探头接频谱分析仪，开关电源的直流侧输出接负载。

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