开关电源传导干扰的诊断

zy2002

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</b><FONT size=2>吴昕　钱照明　庞敏熙

摘　要：诊断开关电源传导干扰的主要性质，分别测量共模 干扰和差模干扰，是正确设计电源EMI滤波器的第一步。介绍了共模干扰和差模干扰测 量的三种方法，并讨论、比较了三种方法各自的优缺点。
关键词：开关电源 差模干扰 共模干扰

Diagnosis of Switching PowerSupply Conducted Noise

Wu Xin Qian Zhaoming
（Zhejiang University 310027 China）
Pang Minxi
（Hong Kong University China）

Abstract：It is difficult to design and build an effective power line EMI filter for switched mode power supply without distinguishing the differential or common mode component from conducted noise.Three methods to dia gnose differential mode and common mode noise are discussed in this paper,the comparsion of these methods also be presented.
Keywords：switched power differential mode noise common mode noise▲

1 引言

　　功率开关器件的高频开关动作是导致开关电源(SMPS)产生电磁干扰(EMI)的主要原因。开关 频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的EMI问题。如何减小产品的EMI使其顺利通过FCC、IEC1000等EMC标准论证测试已成为目前急需解决的问题。差模干扰和共模干扰是主要的传导干扰形态。
　差模干扰是指电源的相线与中线所构成回路中的干扰信号，而共模干扰是指由电源的相线或中线与地线所构成回路中的干扰。SMPS中的差模干扰主要是由回路中的开关动作产生，其大小与直流侧滤波电容的寄生电抗有很大关系。共模干扰与位移电流相关，其大小与电路的杂散参数有关，故很大程度上受电源中各元件的大小、形状和位置的影响。
　　差模干扰和共模干扰产生的机理不同，形成的回路不同，因此所采取的抑制方法不同，相应的滤波器设计也不相同。在干扰测量中如何辨别、区分差模、共模干扰成为电源EMI滤波器设计的首要问题。使用EMC标准中规定的干扰测量装置阻抗稳定网络(LISN)虽然能测出传导干扰的水平，但不能将差模干扰和共模干扰区分开，不利于滤波器设计。本文将介绍三种测量差模、共模干扰的方法。

2 差模、共模传导干扰的测量方法

2.1 射频电流探头(RF Current Probe)
　　射频电流探头是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流信号的仪器，本质上是一个 匝数为1的变压器。电流探头的传输阻抗定义为测量电压与被测电流之比：Zt=Vo/ Iin，它是衡量射频电流探头性能的一个最基本参数，通常情况下用对数形式表 示为：｜Vo｜dBμV=｜Iin｜dBμA+｜Zt｜dBΩ 。理想情况下我们希望电流探头的传输阻抗在整个频率范围内都保持为1Ω或0dBΩ，但实 际中由于产品自身的各种寄生参数的存在，上述理想情况难以实现。典型产品如HP8710-17 44的传输阻抗在50kHz～50MHz的范围内为-5dBΩ。
　　根据差模干扰和共模干扰电流的方向，巧妙地安排相线和中线的位置，可以分别测量到共模干扰电流或差模干扰电流的大小，测量安排如图1所示。

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图1 共模、差模干扰电流测量

　　图1a中相线和中线同时穿过电流探头，差模电流信号方向相反，彼此抵消，共模电流方向相 同，故测量结果为2Icm。图1b中相线和中线中任一根直接穿过探头，另一根绕制后再穿过探头。这种情况下共模电流方向相反，彼此抵消，差模电流方向相同，故测量结果为2Idm。
　　用电流探头可以很方便地将共模干扰和差模干扰分开，但其测量结果却很难与EMC标准中规 定的干扰限值相比较。标准的规定是以阻抗稳定网络(LISN)中50Ω电阻上的电压降为依据衡量传导干扰大小的，因此需要把电流探头的测量结果换算到标准规定的测试方法中。考虑到电流探头测量到的是两倍的差模电流或共模电流值，以及LISN的50Ω标准阻值，假设标准规定的传导干扰限值为｜Vlimit｜dBμV， 则用上述方法测得的差模、共模干扰值应满足下列不等式才能通过标准测试：｜Vo｜dBμV≤｜Vlimit｜dBμV+｜Zt｜dBΩ-20log50+20log2。需要注意的是，满足这个不等式只是被测件(EUT)通过传导干扰测试的必要不充分条件。
2.2 差模抑制网络(Differential Mode Rejection Network)
　　差模抑制网络(DMRN)能够有效的抑制差模干扰(至少50dB以上)，允许直接测量共模干扰而不 需要进行任何换算。图2说明了它的基本工作原理。

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图2 差模抑制网络DMRN

　　图2a是DMRN的电路原理图，两个输入端分别与LISN的相线和中线干扰信号输出端相接，其输 出信号接至频谱分析仪。图2b给出了DMRN的差模干扰信号等效电路，差模信号加在DMRN的输 入端，两个50Ω的电阻串联其接点A接地。两个16.7Ω的电阻串联后与之并联，根据电 路理 论，B点因此虚地，其电位为0，故差模干扰信号经过DMRN后被抑制。图2c是DMRN的共模 干扰信 号等效电路，两路50Ω与16.7Ω的电阻串联后再并联(LISN的输出阻抗远远大于50Ω，故可 忽 略)，其等效阻抗为33.3Ω，再与16.7Ω的电阻相串联，因此DMRN的共模信号输出等效阻 抗为50Ω，与频谱分析议的50Ω输入阻抗相匹配。同时也可以计算出由LISN输出的共模信号 经DMRN后衰减了6dB。
　　DMRN结构非常简单，实验室里也能自行制作。要注意的是选用的电阻要有较好的频率特性， 在100kHz～30MHz的频段内阻抗变化不应超过5%。
2.3 噪声分离网络(Noise Separator)［5］
　　DMRN的缺陷是不能测量差模干扰信号，这会给EMC设计带来不便。因为设计中经常需要 比较差模、共模干扰的大小，确定传导干扰的主要性质。使用噪声分离网络可以解决这个问 题。下面简要介绍其基本工作原理。
　　根据差模、共模信号的定义可知，LISN输出的相线、中线干扰信号分别为

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式中　VL，VN——相线、中线干扰信号电压
　　　VCM，VDM——共模、差模干扰信号电压
加、减两式可得

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图3 噪声分离网络

　　因此，加、减LISN输出的相线、中线干扰信号可以得到共模、差模干扰信号的大小。遗憾的 是虽然许多频谱分析仪有加减计算的功能，但却没有考虑相位因素，因此不能使用。
　　图3给出了噪声分离网络的原理图。一对变比为1∶1的高频变压器被用来实现VL、VN的加、减功能。这里对高频变压器提出了很高的性能指标，要求其幅值、相位频率特 性在10Hz～50MHz的范围内不能偏差±5dB和35°，杂散参数必须严格控制。输入端的82Ω的 电阻是为了满足LISN的50Ω阻抗匹配要求设置的。转换开关K用于切换共模、差模干扰测量模式。

3 结论

　　正确地识别差模、共模干扰在电源EMI滤波器设计中至关重要。本文介绍了三种分开测量差 模、共模干扰的方法：射频电流探头，差模抑制网络，噪声分离网络。巧妙地安排射频电流探头是测量差模、共模干扰最简单的方法，但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单，测量结果可直接与标准限值比较，但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法，但其关键部件变压器的制作要求很高，实验室中很难完成。
　　图4a是一台小功率开关电源的传导干扰频谱，图4b是用实验室自制的DMRN测量的共模干扰频 谱。可以看到在总的传导干扰中共模干扰占很大的比例，故这台开关电源的EMC设计应集中 在对共模干扰的抑制上，特别要注意共模电感和电容的设计。

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图4■

作者单位：吴昕(浙江大学 310027)
　　　　　钱照明(浙江大学 310027)
　　　　　庞敏熙 (香港大学)

参考文献

［1］David A.A tutorial on EMI characterization of switching regulators.IEE E APEC′96
［2］Paul C R.Diagnosis and reduction of conducted noise emissions.IEEE Tra ns.on Electromagnetic Compatibility,1988,30(4)
［3］Nave,Mark J.A novel differential mode rejection network for LISNs.proc eedings of IEEE EMC Symposium,1989
［4］Guo T,Chen D Y,Lee F C.Diagnosis of power supply conducted EMI using a noise separator.IEEE APEC′94

电工技术杂志提供本文
作者: 吴昕　钱照明　庞敏熙</FONT>