EMI滤波器设计 第二部分：噪声源阻抗的测量
摘要 - 在EMI滤波器设计系列的第一部分，对EMI产生的机理进行了解释。在第二部分，介绍了一种开关电源的噪声源阻抗的测量方法。所提出的测量方法能够在实际操作条件下精确提取出开关电源的等效噪声源阻抗的共模量与差模量。
I.简介
电磁干扰滤波器（EMI）是开关电源（SMPS）的一部分，用来限制传导的电磁干扰的频率范围最高到30MHz，以便符合国际EMI法规要求[1]，[2]。不像在通信和微波应用中使用的滤波器，噪声源阻抗和终端阻抗都是定义为50Omega;，实际开关电源的EMI滤波器的终端阻抗和噪声源阻抗远远高于50Omega;[3]。在标准的EMI传导测量装置中，开关电源供电是通过线路阻抗稳定网络（LISN），其阻抗是明确的[4]。但是，开关电源的噪声源阻抗与几个参数变化有关，如转换器拓扑结构，额定功率，寄生成分元件和电路板布局[5]。例如，对DM噪声源阻抗，强烈受到二极管整流器的反向恢复现象[6]，等效串联电阻（ESR）和本体的等效串联电感（ESL）电容器[7]的影响。而对于CM噪声源阻抗的决定部件是开关及散热片之间的寄生电容以及板与底盘的寄生电容[2]，[8]。因此，一个由假设噪声源和终止阻抗为50Omega;设计出来的SMPS的EMI滤波器会导致滤波器不具备最佳的电磁干扰抑制性能。
有些已取得方法去测量DM和CM噪声开关电源的源阻抗。首先，用共振法去估计开关电源的噪声源阻抗是通过简单的假设噪声源是一个简单的平行阻性电流源的诺顿等效电路和电容元件[9]。通过在SMPS的交流电源输入端接入谐振电感，噪声源阻抗可以被估计出来[10]。然而，该方法来选择和调整共振谐振电感比较复杂。而且，当频率增加时，非理想反应性器件的作用变得显著和基于该共振法的电路拓扑不再有效。所以，这个简单的方法只能提供一个粗略的噪声源的电路模型的等效。
前段时间，插入损耗的方法被引入测量开关电源的DM和CM噪声源阻抗[11]。此方法要求必须满足一些现有的条件。例如，插入部件的阻抗比噪声源阻抗大得多或小得多[12]。因此，如果这些条件不被满足时，精度将会降低。另外，它仅提供噪声源阻抗的幅度信息，相位信息只能通过复杂希尔伯特变换近视。
近日，用两探头来测量DM和CM开关电源的噪声源阻抗的方法被开发[13]。 注射探针，感测探针和一些耦合电容器在测量时被使用。为了使测量DM和CM噪声源阻抗合理准确，对DM和CM扼流圈需要精心选择，在开关电源与LISN之间进行很好的RF隔离。此方法主要提取的幅度信息只针对噪声源阻抗。
鉴于前面讨论的方法的限制，一种直接夹紧两探头的做法被提出。不像前者两探针法[13]，所提出的方法使用直接夹式型电流探测器。因此在开关电源和线路阻抗稳定网络之间没有直接电接触，它消除了耦合电容器的影响。此外，不需要分离扼流圈，使得测量安装非常简单实现。用该载体网分析器作为测量仪器，包括幅度和相位信息，可直接提取而无需进一步处理。所提出的方法也因为它测量误差的能力而高度精确。
我们在提取过程中的基础假设是，该开关电源的输入阻抗呈线性。因为根据[11]“开”的状态在操作过程中普遍存在的，阻抗探测是通过完成的小信号扰动装置，从而使之成线性[14]。在已知阻抗信息的条件下，前面提到的方法的设计限制是可以克服的，并使系统的EMI滤波器减少损耗性能成为可能。
II.直接钳位双探针测量理论
双探针测量技术开始用于测量设备的被测阻抗（EUT），例如：小交流电机，荧光灯等，从频率范围内20千赫至30兆赫[15]。然后，电源线阻抗是由频率范围内测量从10千赫至32兆赫[16]和20千赫到30兆赫[17]。以后，电源线的频率范围阻抗测量扩展到500 MHz[18]。同样的概念，开关源阻抗的DM和CM噪声可以被提取出来。[13]，[19] - [20]。
图1：直接夹紧双探头测量
图2显示出了测量的完整等效电路图。 其中V1是输出信号源电压端口1连接到注入探针，VP2是所得信号电压，在端口2与接收用探头进行测量。该端口1的输出阻抗和端口2的输入阻抗的都是50Omega;。 L1和L2的主电感的注入和接收探针。 LW和RW是电感和布线连接形成的电路回路。 M1是互感的注入探头和电路环路，M2是接收用探头和电路之间的互感循环。 ZP1和ZP2是输入阻抗和接收探头。
输入的信号源V1引起的信号电流在通过探测电路回路。从图2可以看出，三回路方程产生如下：
消除（1）中给出的L1和L2
图2：图1的双探针测量装置的等效电路
根据表达式（2）中，注入探头可反映在闭合回路循环作为等效电流控制电压源VM1，串联的反射阻抗ZM1和接收探头可以体现在同一回路作为另一阻抗ZM2，如图3所示。因此，目前的在耦合电路分布在整个循环均匀，VM1可改写为
图3：连接未知阻抗的电路回路最终等效电路
通过未知阻抗ZC见于的a-a的等效电路可以由一个等效电流控制电压源被取代，VM1与阻抗串联由于测量设置。由（3），ZC可以确定通过
通过接受探头当前的Lw电流可以被测量，根据图3的接受探头的循环：
其中，VP2是在VNA的端口2测得的信号，电压与ZT2是由探头制造商提供。
矢量网络分析仪所得到的端口1的激励源V1在注射探针VP1电压相关由
（7）代入（6），未知阻抗可以表示为
S11=在端口1的测量反射系数，
S21=端口2测得的正向传输系数。
可以，通过以下步骤获得系数K和设置阻抗设置。首先，衡量VP1/ VP2通过更换阻抗ZC与已知精度标准电阻RSTD。 作为一个经验，RSTD的电阻应选择某处在测量未知阻抗的中间的范围内进行测定。然后，通过短路的再次测量VP1/ VP2。 用这些两个测量和（8），两个方程（10） - （11）具有两个未知K和Zsetup。因此，K和Zsetup可通过求解（10）和（11）获得。一旦K和Zsetup被找到，双探头设置是可以测量的未知阻抗用（8）。
应当注意的是，为了清楚起见，图1是过于简单和不包含LISN下有源器件供电测试。该LISN阻抗，应考虑设置的一部分，而没有限制。另外一个的话就是，VNA的的注入信号必须比背景大得多在频率下测试，由该装置所产生的噪声范围的产生，使背景噪声不改变ZC值，叠加在测量的量。对于大多数低于中等功率有源系统，这样的条件，通常可以得到满足。然而，如果现有系统的特征在于非常高的功率和产生显著的背景噪声，人们可以添加电源在VNA的端口1的输出放大器，以增加的功率注入信号，从而使所述条件可以被满足。
III.LISN的终端阻抗的测量
据CISPR标准，开关电源通常是通过LISN确保稳定和可重复的供电。 从而，为了提取噪声源阻抗，LISN的最终阻抗必须事先确定。该LISN的CM和DM输出阻抗（电度量MIL5-25/2）必须通过合适方法来确定。可以通过HP4396B测量阻抗分析仪（100千赫 - 1.8千兆赫）。LISN测得的DM阻抗（ZLISN，DM）和的测量的CM阻抗（ZLISN，CM）可以使用相同的方法由提出的技术进行比较来验证所测量的结果。
使用双探头的方法，LISN可以被交流电源应用来测量。然而，该测量使用阻抗分析器只能与施加到没有交流电源的LISN，以防止在测量设备的损坏。对于双探针法，AC电源被施加到LISN的输入和一个或两个1 F“X级”电容器在输出连接在LISN来实现交流短路。应当指出的，因为1mu;F电容的阻抗在测量非常低频率范围内，它的阻抗不考虑。一个1mu;F电容连接线到中性的DM测量值之间。对于CM测量，需要两个1mu;F电容，连接线和接地。对于DM输出阻抗测量，该线路导线被视为一个单一的传出导体和中性线被视为返回导体。在CM测量的情况下，线路和中性线是为一体的单个输出的导体，以及安全地处理导线被视为返回导体。连接LISN和电容器之间线的长度选择越短越好，以消除在连接电线的寄生电感。
然而，由于连接线距离的情况下，不同简单的电阻测量，Zsetup，DM，Zsetup，CM和
频率相关系数（KDM和KCM）需要重新校准。对于DM阻抗测量中，注入接收探头被夹紧上只连接线路导线。该Zsetup，DM和KDM可以通过测量VP1 / VP2获得，当两个LISN和“X级”的电容器被删除，短路线和中性线的两端。同样，衡量VP1 / VP2通过连接精度标准电阻RSTD（620Omega;在一端plusmn;1％）。在CM阻抗测量中，由于线与中性线被当作一个单个输出导体，这两个电流探针夹紧在线和零线。该Zsetup，CM和KCM可以通过删除得到这两个LISN和两个“X级”电容和测量VP1 / VP2当线路，中性和地线在两端短路。然后测量VP1 / VP2通过连接精密标准间线中性和接地在一个电阻RSTD（620Omega;plusmn;1％）结束。将那些测量结果代入方程（10）和（11）中，可以得到Zsetup，DM，Zsetup，CM和该频率依赖系数KDM，并且可以获得KCM。
此外，由于LISN原理图和元件值由厂家制定，DM和CM提供在LISN的阻抗可以很容易地计算出来。为了比较目的，模拟LISN的DM和CM阻抗使用所提供的数据表如图按制造商也绘制（LISN，DM和Z LISN，CM）。图4（a）-（b）和图5（a）-（b）分别表示。使用直接夹紧两探针的方法（ZLISN，DM（2probes）和ZLISN，CM（2probes）），使用阻抗分析仪（ZLISN，DM（IA）和ZLISN，CM （IA））由图4和图5所给出。
IV.SMPS的噪声源阻抗的测量
测量设置提取开关电源的DM噪声源阻抗（ZSMPS，DM）和共模噪声源阻抗（ZSMPS，CM）由图6（a）和（b）来表示。 该模型和开关电源的技术规格有：VTM22WB，15 W， 12 VDC /0.75 A，-12 VDC /0.5 A，开关电源通过电源LISN（MIL5-25/ 2）。电阻负载被连接在输出开关电源。 DM的阻抗（Z LISN，DM）和在CM阻抗（ZLISN，CM）的LISN的已测，早些时候在第三节说明。分别为图4和图5。
据第二节测量过程中，我们需要首先提取DM和CM设置阻抗，Zsetup，DM和Zsetup，CM和频率相关系数KDM和测量装置的KCM。对于DM阻抗测量校准过程中，注入和接收探头在连接线和中性导线夹紧，如图。图6（a）。该Zsetup，DM和KDM可以通过测量VP1 / VP2获得当两个LISN和SMPS除去短路线。同样，衡量VP1 / VP2由连接在精确的标准电阻RSTD（620Omega;plusmn;1％）一端。因为CM阻抗测量校准过程中，两个电流探针夹紧在线路和中性电线，如图6（b）所示。 TheZsetup，CM和KCM可除去这个LISN和SMPS和测量VP1 / VP2获得当线路，中性和地线在两端短路。然后测量VP1 / VP2通过连接精度标准电阻线中性和接地之间RSTD（620Omega;plusmn;1％）在一端。代的那些测量结果代入方程（10）和（11），所述Zsetup，DM，Zsetup，CM和该频率依赖系数KDM和KCM可以得到。传输线效应导线的连接可以被忽略，因为连接的长度从LISN将SMPS导线（L）为70厘米，这是比所需要的高频率的波长（30兆赫）更短。测量阻抗的总阻抗电路回路和我们指定ZT，DM和ZT，CM的总DM和电路的CM阻抗回路连接所述，SMPS和LISN交流下通电的操作条件。其结果是，ZT，DM和ZT，CM被定义为
ZT,DM = ZLISN,DM ZSMPS,DM Zsetup,DM, (12)
ZT,CM = ZLISN,CM ZSMPS,CM Zsetup,CM, (13)
其中
ZLISN,DM = DM output impedance of the LISN [Omega;],
ZLISN,CM = CM output impedance of the LISN [Omega;],
ZSMPS,DM = DM input impedance of the SMPS [Omega;],
图.4：LISN的测量结果比较 （一）DM幅度;（二）DM相位
ZSMPS,CM = CM input impedance of the SMPS [Omega;],
Zsetup,DM = DM impedance due to the measurement setup [Omega;],
Zsetup,CM = CM impedance due to the measurement setup [Omega;].
对于已知的Zlisn，DM，Zlisn，CM，Zsetup，DM和Zsetup，CM，一旦ZT被测量，开关电源的DM和CM噪声源阻抗可以很容易地用（14）和（15），分别进行评价。
ZSMPS,DM = ZT,DM minus; ZLISN,DM minus; Zsetup,DM, (14)
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