趙 波閆景瑞趙 陽

（1. 江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210023；2. 南京師范大學(xué)，南京 210042）

?

基于雙電流探頭和四種狀態(tài)測試的EMI噪聲源阻抗提取方法

趙 波1閆景瑞2趙 陽2

（1. 江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210023；2. 南京師范大學(xué)，南京 210042）

基于雙電流探頭，設(shè)置被測噪聲源為短路導(dǎo)線、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、標(biāo)準(zhǔn)電容四種狀態(tài)，利用散射參數(shù)原理分別其傳輸參數(shù)和反射參數(shù)，從而提取到被測噪聲源的高頻阻抗。以商用開關(guān)電源為測試對象，實現(xiàn)了源阻抗幅值和相位的測試和計算，驗證了該方法的有效性。本文設(shè)計的四種狀態(tài)測試方法，基本涵蓋了所有的阻抗描述情況，克服了測試過程中存在的近似和理想化的約束條件，測量的精度提高，為電磁干擾濾波器的設(shè)計提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

雙電流探頭；散射參數(shù)；噪聲源阻抗

近年來，電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）問題越來越嚴(yán)重，而解決傳導(dǎo)EMI噪聲問題，常用的方法是設(shè)計EMI濾波器，使其滿足最大阻抗失配原則［1-2］，從而達(dá)到理想的噪聲抑制效果。因此，在設(shè)計EMI濾波器之前，需要對噪聲源阻抗進(jìn)行分析和提取。到目前為止，國內(nèi)外常用的噪聲源阻抗提取方法有諧振法、電壓法和電流法。

諧振法是由 Schneider提出的，根據(jù)差模/共模阻抗分別呈現(xiàn)容性和感性的特征，在噪聲源內(nèi)阻抗上施加發(fā)生諧振的電容器或者電感器，然后通過測量負(fù)載電流、諧振頻率等特征參數(shù)提取噪聲源等效內(nèi)阻抗，但是其適用頻段非常低，不具有廣泛性［3］。電壓法是由美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Zhang Dongbing提出［4］，該方法是通過計算被測噪聲源和負(fù)載之間加載濾波單元前后，負(fù)載兩端的噪聲電壓比值求得載濾噪聲源阻抗［5］；此外，中國的孟進(jìn)也提出了基于模型參數(shù)的估計法，通過在被測噪聲源與測試電阻之間加入已知阻抗的RLC單元網(wǎng)絡(luò)，通過測量在加載RLC單元網(wǎng)絡(luò)前后的測試電阻上的電流、電壓變化關(guān)系提取噪聲源內(nèi)阻抗［6］；電壓法具有較好的理論基礎(chǔ)，但是運用過程中需要近似處理，因此提取精度存在一定的差異。

電流法是由新加坡的 See提出的［7］，根據(jù)相應(yīng)的理論公式將電流探頭作為信號注入或接受設(shè)備，配合頻譜分析儀分別計算加載被測噪聲源前后測試系統(tǒng)總阻抗，做減法求得噪聲源阻抗。該方法只能測得噪聲源阻抗的幅值，而無法獲取其相位，存在一定的局限性。

本文在電流法的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使用兩個電流探頭和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），經(jīng)過測試噪聲源為短路導(dǎo)線、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感和標(biāo)準(zhǔn)電容四種狀態(tài)時的阻抗，由此計算出測試系統(tǒng)的必要參數(shù)，從而提取到被測設(shè)備的噪聲阻抗，為EMI濾波器的設(shè)計提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

1 基于雙電流探頭的阻抗提取原理

電流探頭法是基于電磁感應(yīng)技術(shù)的阻抗提取方法，使用電流探頭測試噪聲源阻抗的一個明顯優(yōu)勢是，它不需要與被測系統(tǒng)直接電接觸，可以很容易地安裝在任何高壓電氣系統(tǒng)正常的現(xiàn)場情況下，因此極大地降低了安全風(fēng)險［8］。如圖 1所示，射頻信號從VNA的端口1通過注入探頭注入回路，在VNA的端口2通過接收探頭接收。

圖1　阻抗提取原理圖

高頻電流探頭的測量原理是是法拉第電磁感應(yīng)原理，本質(zhì)上是一個匝數(shù)為1的電流互感器，將發(fā)生單元產(chǎn)生的干擾信號電流注入到測試電路中或?qū)㈦娐分袀鬏數(shù)母蓴_信號電流耦合到測試設(shè)備［9］。其原理電路如圖2所示，其阻抗特性如圖3所示。其中，L1、I1、50Ω分別為電流探頭原邊的自感、回路電流和接口匹配阻抗；LW、IW分別為電流探頭副邊的自感和回路電流；M為互感，Zt為噪聲源阻抗。

由電流探頭原理可得接收端口的電壓為

圖2　電流探頭原理圖

圖3　電流探頭內(nèi)阻抗特性

由電流探頭傳輸特性和VNA測壓原理，被測阻抗可表達(dá)為

式中，注入探頭的感應(yīng)電壓為VP1、接收探頭的感應(yīng)電壓為VP2、K為測量回路隨頻率而變的系數(shù)。

由于S參數(shù)是矢量參數(shù)，由兩個復(fù)數(shù)之比定義，可以評估反射信號及傳送信號的性能［10］。同時，利用S參數(shù)描述設(shè)備的電氣特性，避免對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行分析，還可以有效解決傳輸線網(wǎng)絡(luò)對EMI的效應(yīng)問題。

2 四種狀態(tài)提取K和Zsetup

為了得到ZX的值，需要計算出K和 Zsetup。本文提出了設(shè)置噪聲源為短路導(dǎo)線、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、標(biāo)準(zhǔn)電容的四種狀態(tài)測量方法，提取K和Zsetup實驗流程如圖4所示。

在圖1的閉合線路中，移去被測阻抗，并分別用短路導(dǎo)線、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、標(biāo)準(zhǔn)電容代替，打開VNA測量S參數(shù)中的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，使用標(biāo)記功能設(shè)置一系列的頻點（0.15MHz、0.30MHz、…、30.00MHz），并在4種狀態(tài)時分別記為包括對應(yīng)頻點的幅值和相位。

圖4　測試實驗流程圖

由式（3）可得到超定方程組式（4），可以使用最小二乘法，編寫相應(yīng)計算機(jī)程序求解，其矩陣形式變換如式（5）所示，從而得到精確的K和Zsetup。

3 阻抗提取實例與結(jié)果分析

依據(jù)圖5所示搭建測試系統(tǒng)，并按著流程圖逐步進(jìn)行實驗。

圖5　被測設(shè)備阻抗測試系統(tǒng)

本文采用北京大澤科技有限公司的ZN23101電流探頭作為注入探頭和檢測探頭，其實物如圖6所示，技術(shù)指標(biāo)見表 1。該電流探頭主要用于測量沿導(dǎo)線或電纜上傳播的干擾電流，測試頻率范圍為20Hz～1000MHz。

圖6　電流探頭實物圖

表1　電流探頭技術(shù)指標(biāo)

此外，本文使用羅德施瓦茨R&S公司的ZZVL型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（9kHz～3GHz）作為電壓信號注入和接收裝置。其是輸入阻抗為50Ω的干擾測量儀，因此可用作電流探頭的測量指示器。在使用前需要用配套校準(zhǔn)件對其傳輸參數(shù)和反射參數(shù)分別進(jìn)行短路、開路和負(fù)載匹配校準(zhǔn)。利用VNA的標(biāo)記功能記錄四種狀態(tài)測試時的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，包括對應(yīng)頻點的幅值和相位。

如圖7所示為中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所的AV2782精密LCR測試儀，主要由一臺主機(jī)和配套測試夾具組成，可以測量元件的電阻、電容、電感等參數(shù)，阻抗測量準(zhǔn)確度基本能夠達(dá)到0.1%，可以用于元器件的出、入廠檢驗。

圖7　AV2782精密LCR測試儀

用該LCR儀標(biāo)定20Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻、150μH電感、1nF標(biāo)準(zhǔn)電容，其頻率特性如圖8所示。

圖8　LCR測試儀標(biāo)定的頻率曲線

從圖8的頻率特性曲線可以看出，在高頻情況下，無論是電阻、電感、還是電容，它們的阻值和相角都發(fā)生了一定程度的改變，因此在分析EMI問題時，不能直接用元器件的標(biāo)稱值，要考慮它們的高頻特性，即雜散效應(yīng)。

由于目前國內(nèi)使用的阻抗標(biāo)準(zhǔn)件如電阻、電感、電容等，大都在 1kHz的低頻下定標(biāo)。在本文中，標(biāo)準(zhǔn)件要工作在高頻，考慮到它們的電響應(yīng)會偏離理想特性，盡量選擇高頻特性好的器件，如貼片薄膜電阻、貼片陶瓷電容、自行繞制線圈，并且采取一定的補(bǔ)償方法對其修正。

經(jīng)過4種狀態(tài)測試后，加載商用開關(guān)電源作為被測噪聲源，該開關(guān)電源含不同數(shù)量的電感、電阻和電容，其阻抗幅值和相位如圖9所示。

被測阻抗的誤差分析見表2、表3。由圖9（a）和表2可以看出，阻抗幅值的計算值與理論值變化趨勢基本一致，偏差隨著頻率的升高而逐漸增大，但不超過2°，最大相對誤差保持在2.5%以內(nèi)。由圖9（b）和表3可知，阻抗相角的計算值和理論值變化趨勢非常一致，偏差隨著頻率的升高而降低，最大為 0.6°，但相對誤差則越來越大，20MHz以上時超過了10%。

圖9　被測阻抗的頻率特性曲線

評估本文理論方法和測試平臺，誤差的產(chǎn)生大致有以下幾點：①電流探頭本身為電感特性，其轉(zhuǎn)移阻抗不是一成不變，而是隨著頻率的升高而增大，導(dǎo)致測量回路參數(shù)K和Zsetup的實際值不固定，從而引進(jìn)系統(tǒng)誤差；②利用VNA校準(zhǔn)短路、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、電容時的S參數(shù)難以保證每次都穩(wěn)定，取值時采用了出現(xiàn)最高頻次值，引進(jìn)了主觀誤差；③利用精密LCR測試儀標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、電容中，電阻和電容的高頻特性比較穩(wěn)定，而電感的高頻特性則比較差，測量中忽略了其高頻誤差，以標(biāo)稱值代替實際值，引進(jìn)了累積誤差；④用計算機(jī)編程解算超定方程組時，在不同的算法下求得的參數(shù)K和Zsetup均不相同，而本文采用的是收斂速度和精度相對較好的準(zhǔn)牛頓法。

表2　被測阻抗的幅值測試誤差分析

表3　被測阻抗的相角測試誤差分析

綜上述，本文的方法可以有效提取復(fù)雜設(shè)備的噪聲源阻抗，且可以保證一定的精度，為下一步設(shè)計EMI濾波器解決干擾問題提供了參考依據(jù)。

4 結(jié)論

為了準(zhǔn)確有效提取EMI噪聲源阻抗，本文設(shè)計了一套系統(tǒng)全面的測量方法：①基于雙電流探頭和VNA的測試平臺，利用S參數(shù)法推導(dǎo)出了EMI阻抗的通用表達(dá)式；該方法儀器精簡，無需使用輔助模塊，降低了由信號源和頻譜儀等輔助模塊引起的硬件誤差；②短路和標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容、電感的四種狀態(tài)測試方法，基本涵蓋了所有的阻抗描述情況，克服了測試過程中存在的近似和理想化的約束條件，提高了測量精度；③實驗結(jié)果驗證了本文方法的有效性，在硬件設(shè)備如電流探頭、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感、電容的高頻特性的處理上還可以繼續(xù)改進(jìn)。

［1］石磊磊，王世山，徐晨琛. 二端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)理論及其在平面EMI濾波器測試中的應(yīng)用［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（2）：78-85.

［2］趙陽，陸婋泉，顏偉，等. 散射參數(shù)建模及其在傳導(dǎo)電磁兼容中的應(yīng)用［J］. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，42（4）：488-493.

［3］Lon M. ScllIleider. Noise Source EquiValent Circuit Model forOff-line converter and Its Use in Input Filter Design［C］//Proceeding of IEEE on EMC，1983：167-175.

［4］Zhang D B，Chen D Y，Nave M J，et al. Measurement of noise source impedance of off-line converters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（5）：820- 825.

［5］張佳佳，張逸成，韋莉，等. 基于插入損耗的噪聲源阻抗修正計算方法［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（4）：80-87.

［6］孟進(jìn)，馬偉明，張磊，等. 變換器傳導(dǎo)電磁干擾集中等效模型參數(shù)估計方法［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（6）：25-29.

［7］See K Y，Deng J H. Measurement of noise source impedance of SMPS using a two probes approach［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（3）：862-868.

［8］Kang Rong Li，Kye Yak See. Inductive Coupled In-Circuit Impedance Monitoring of Electrical SystemUsing Two-Port ABCD Network Approach［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2015.09

［9］董穎華. 傳導(dǎo)電磁兼容測試與抑制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京師范大學(xué)，2011.

［10］沈雪梅. 傳導(dǎo)性電磁干擾噪聲診斷與抑制綜合方法研究［D］. 南京：南京師范大學(xué)，2007.

EMI Noise Source Impedance Extraction Method based on Double Current Probe and Four Kinds of State Test

Zhao Bo1Yan Jingrui2Zhao Yang2
（1. Jiangsu Institute of Metrology，Nanjing 210023；2. Nanjing Normal University，Nanjing 210042）

Based on the double current probe，the transmission parameters and reflection parameters of the short circuit，loading standard resistance，capacitance，inductance and loading noise source impedance are measured by using the principle of scattering parameters. A test on commercial switching power supplied as the test object was carried out，in which the source impedance amplitude and phase are measured and calculated and the validity of the method is verified. This paper designs four kinds of testing methods，which basically cover all the impedance description，and overcome the approximation and the ideal of the constraints existing in the testing process，improve the accuracy of measurement，and provide a reference for the design of electromagnetic interference filter.

double current probe； scattering parameter； noise source impedance

趙 波（1979-），男，江蘇省南京市人，博士，工程師，主要研究方向為電磁兼容與計量。

國家青年科學(xué)基金項目（51307050）