基于MTLs弱耦合串扰模型的开关电源传导发射

廉玉欣 李浩昱 吴建强 杨世彦

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

基于MTLs弱耦合串扰模型的开关电源传导发射

廉玉欣 李浩昱 吴建强 杨世彦

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

由于串扰耦合效应的影响，开关电源输入输出线距离较近时，输入线和输出线传导噪声高频段相互耦合明显，不利于EMI滤波器的设计。针对输入线和输出线同侧的开关电源，基于多导体传输线（MTLs）理论和弱耦合串扰模型，分析了共模噪声电流传播途径，建立了开关电源输入输出线串扰模型，并给出单位长度参数。仿真和实验结果表明，输出线传导噪声的变化能够影响输入线的测试结果。针对输入输出线传导发射，提出了相应的改善措施。

多导体传输线 EMI滤波器 共模噪声 开关电源 传导发射

1 引言

随着开关电源在现代工业社会中日益广泛的应用，其功率变换单元的PWM开关器件产生的EMI问题也逐渐引起了电磁兼容（EMC）工程师的重视[1-3]。一般来说，开关电源电网侧输入线和负载侧输出线的传导发射都不能满足电磁干扰传导发射标准，因此需要在输入输出端口放置 EMI滤波器[4-6]。根据传导耦合方式的不同将电磁干扰分为差模（DM）和共模（CM）两种，通常需要将 DM噪声和 CM噪声分别进行考虑设计EMI滤波器。文献[7]针对混合模式干扰（MM）下的滤波器设计进行了研究。已经有文献通过对EMI滤波器寄生效应的研究，改善了滤波器的高性能[8-11]。然而往往这些滤波器放到电源端口，实际效果与期望并不一致。文献[12]分析了滤波器寄生参数与交流输入线变换阻抗之间的相互影响，从而削弱了EMI滤波器的高频特性。

水平井牵引机器人地面供电电源为整个牵引器工作提供所有能量，要求输出电压纹波小，保证地面控制系统与牵引器之间的载波通信的正确性。当电网侧输入线和负载侧输出线从电源模块的同一侧引出时，输入线和输出线之间存在串扰耦合，影响通信质量。因此有必要深入研究开关电源输入线和输出线传导发射串扰耦合问题。已经有很多文献理论分析了MTLs的串扰耦合现象[13-16]，但没有针对开关电源的输入线和输出线进行实验研究。

本文以水平井牵引机器人地面供电开关电源为研究对象，分析了输入线和输出线共模噪声的传播途径。基于MTLs理论和弱耦合串扰模型，建立开关电源输出线和输入线串扰模型，根据模型可具体地说明输出线与输入线串扰耦合对传导发射的作用规律。最后通过改变输出CM滤波器的拓扑结构，减小输出线上的共模噪声电流，从而也减小了串扰耦合到输入线上的高频噪声，使得开关电源输出线和输入线传导发射都能够满足要求的EMI标准。

2 串扰耦合模型分析

2.1 CM噪声在输入线和输出线上的传播途径

所研究的开关电源交流侧输入线和负载侧输出线EMI传导发射测量原理图如图1所示。开关电源由输入滤波器，功率因数校正（PFC）主电路，DC/DC主电路，输出滤波器构成。具体的测试布局参考EN55022标准，主要由线性阻抗稳定网络（LISN）、电源输入引线、电源模块、输出负载引线、负载、噪声分离网络和频谱分析仪组成。

图1 开关电源EMI传导发射测量原理图Fig.1 Conducted EMI measurement setup for a switching power supply

测试输入线传导发射时，LISN放置在交流电网与电源模块输入端口之间，与L线和N线相连。CM噪声首先通过开关电源与地平面之间的寄生电容流向地平面，在输入CM滤波器的作用下，大部分CM噪声被旁路掉，剩余的CM噪声2iCM通过地平面、LISN、输入线返回到开关电源模块[12]。频谱分析仪检测到的输入线传导发射CM噪声即经过噪声分离网络分离后的剩余CM噪声VCM。

测试输出线传导发射时，LISN放置在负载与电源模块输出端口之间，CM 噪声首先通过寄生电容流向地平面，在输出CM滤波器的作用下，大部分CM噪声被旁路掉，剩余的CM噪声2iC′M通过地平面、LISN、输出线返回到开关电源模块。频谱分析仪检测到的CM噪声为VC′M。

对比输出线和输入线传导发射测量原理图，可以看出电源模块外部地线上的CM噪声电流由两部分构成，经过输入线流回电源输入端的2iCM和经过输出线流回电源输出端的2iC′M。由此给出CM噪声在输入线和输出线上的传播途径，如图2所示。

图2 共模噪声电流传播途径Fig.2 Common mode noise currents propagation paths

假设CM噪声源为电流源，总的CM噪声源电流是 i，一部分 CM噪声iCM1通过输入滤波器旁路掉，一部分CM噪声iC′M1通过输出滤波器旁路掉，剩余的CM噪声i1分别通过输入线和输出线返回电源模块。虽然总的CM噪声是一定的，但是利用文献[4]和文献[6]测试计算从输入端口看进去的 CM噪声和从输出端口得到的结果却是不一样的。加入两个 LISN的目的是为了分别测试输入线和输出线的CM噪声。

2.2 弱耦合串扰模型的建立和分析

根据MTLs理论，当输入线和输出线距离较近时，必然通过参考地线产生串扰耦合现象[3,13-16]。三导体传输线模型如图3所示，单位长度等效电路如图 4所示[3,12]。对于图 3和图 4的传输线模型，本文主要考虑的是150kHz～30MHz传导频率范围，输入输出线传导发射，因此有如下假设和分析：①假设传输线都是均匀无损耗传输线，传输线上只存在唯一的横电磁波（TEM）传播模式。②由于传输线导体的横截面尺寸是电小的，对于任意长度的传输线（电长线抑或电短线），都可以唯一地定义电压和电流。③在 150kHz～30MHz的频率段内，本文考虑的传输线为电短传输线。④多导体传输线的间距大于 50mil（1mil=25.4×10−6m），发射电路和接收电路的二次耦合很弱，可以忽略。基于上述4点假设，忽略边缘散射效应。图3和图4模型近似适用于有限长的输入输出端。

图3 三导体传输线模型Fig.3 Three conductor transmission lines

图4 单位长度等效电路Fig.4 The per-unit-length equivalent circuit

图 3中由源阻抗 RS和源电压 VS(t)组成的源，通过发射线和参考地线与负载电阻 RL相连。IG(z,t)表示发射线的电流，VG(z,t)表示发射线与参考地线之间的电压。发射线的电压和电流将会产生电磁场，与接收线电路相互作用，在接收线中感应出电流IR(z,t)和电压VR(z,t)。这个感应电压和电流会在接收电路的近端和远端产生电压VNE(t)和VFE(t)。RNE和RFE分别表示近端和远端负载。

图4中lG和lR分别表示发射电路和接收电路每单位长度自电感，lm为单位长度互电感。cG和 cR分别表示发射电路和接收电路与参考地线之间的每单位长度自电容，cm为单位长度互电容。

根据图3和图4得出MTLs方程[3]

从MTLs方程可以看出，在接收线上产生的感应电压和感应电流也会产生电磁场，经过二级耦合，在发射线上产生感应电压和感应电流。如果发射线和接收线的距离大于 50mil，这种二次效应可以忽略，弱耦合模型成立，如图 5所示[3,12]。图中，Lm和Cm分别为传输线的总互电感和总互电容，独立电压源 jωLm表示接收电路的感应电动势，独立电流源 jωCm表示接收电路上的感应电荷。

图5 弱耦合等效电路Fig.5 Weak-coupling equivalent circuit

2.3 输入输出线串扰模型的建立

根据 2.1节的分析，在开关电源的输入线和输出线都存在CM噪声，输入线和输出线之间CM噪声的串扰耦合是相互的，因此接收线本身的噪声不能忽略。基于MTLs弱耦合假设，建立开关电源输入输出线串扰模型，如图6所示。

图6 输入输出线串扰模型Fig.6 Crosstalk model of input and output lines

由于非理想导体在较低的频率会产生共阻抗耦合，在参考地线上产生电压V0。对于电短传输线，可以将参考地线的每单位长度阻抗集总为一个单独的阻抗R0[3]，来计算该电压。通过叠加定理可以求解近端和远端的串扰电压，本文最为关注的是远端LISN上的CM噪声电压

根据2.1节，整理可得

对于一个具体的电源系统，考虑输出线、输入线和地线三根传输线的材质相同，长度均为L，内半径均为r，处在同一水平面上，输入线和输出线与地线间距均为d。假设传输线周围介质为均匀介质，绝缘层的介电常数与空气中介电常数一样。发射线和接收线每单位长度参数的计算，如图 7所示。图中ΦG为发射电路的磁通，ΦR为接收电路磁通。

图7 每单位长度参数的计算Fig.7 Calculation of per-unit-length parameter

每单位长度的外部电感矩阵与穿过发射电路和接收电路的磁通以及这些电路上的电流满足

通过在一条导线上施加电流（通过参考地线返回），其他导线上的电流设为零，并确定穿过电路的磁通，就可以得到每单位长度的电感。发射电路的自电感lG、接收电路的自电感lR和互电感lm为

对于均匀介质，利用每单位长度的电感可以推导出每单位长度的电容，其中周围均匀介质的特性参数为磁导率µ和介电常数ε，υ= 1/εµ为平面波的相速。

3 输出线和输入线串扰耦合模型仿真

本段基于本文所建立的开关电源输入线和输出线串扰模型，以水平井牵引机器人地面供电开关电源为研究对象，对输出线和输入线串扰现象进行理论仿真分析。

考虑输出线、输入线和地线三导体传输线电缆为内半径2mm的铜线，间距均为45mm，总长度均为1.8m，对应于166.7MHz时的一个波长，因此希望大约30MHz以下的频率为电短传输线。计算每单位长度参数如下：

得到LISN上的CM噪声电压为

CM 噪声源阻抗随着频率的不同，其相位和幅度也不相同[4]，电源端口的 CM噪声和 LISN上的CM噪声也不一样[8]。为了简化分析过程，假设CM噪声源在电源端口，CM噪声源阻抗为 50Ω，电源端口的噪声即通过 LISN测试得到的噪声。输入输出线串扰仿真结果如图8所示。

图8a为输出线对输入线串扰仿真结果，S1为传导发射EN55022 Class B准峰值限值，S2为平均值限值。V11为输入线本身CM噪声，V12为经过输出线串扰耦合后，输入线的CM噪声。从图中可以看出，在低频段输出线对输入线的串扰影响不明显，在高频段串扰影响非常严重，已经超出了EMI测试标准的平均值限值。

图8b为输入线对输出线串扰仿真结果，输入线的测试标准要比输出线严格。S3为传导发射EN55022 Class A准峰值限值，S4为平均值限值。V21为输出线本身 CM噪声，V22为经过输入线串扰耦合后，输出线的CM噪声。从图中可以看出，输入线CM噪声对输出线串扰耦合不明显。

图8c为输出线本身的CM噪声变化前后，输出线对输入线串扰仿真结果。V31为输出线CM噪声没有改变前，输入线的CM噪声；V32为输出线CM噪声降低 10dB后，输入线的CM噪声。从图中可以看出，当输出线CM噪声水平下降10dB后，输入线CM噪声高频段也会有明显下降。

图8 输入输出线串扰仿真结果Fig.8 Simulation result of crosstalk between input and output line

4 实际测试结果

针对所研究的开关电源模块，设计EMI滤波器如图9所示。图9a为输入滤波器，图9b为输出滤波器。

实验测试布局参考EN55022标准，输入线、输出线和参考地线的参数和布局与仿真时相同，输出滤波器对传导噪声的影响如图 10所示。去除图 9b中点划线框内的一对Y电容，图10a和图10b分别为输出和输入传导发射噪声，可以看出输出线对输入线的串扰非常明显，导致输入传导发射无法满足要求的测试标准。在图9b中点划线框内位置加一对Y电容后，EMI输出CM滤波器由原来的L型滤波器，变成π型滤波器，提供了更高的插入损耗，滤波效果得到改善，因此输出线传导噪声的高频部分得到了明显抑制，如图10c所示。由于输出线传导噪声高频部分降低，通过串扰耦合到输入线的高频噪声也相应的减小，因此输入线传导发射噪声能够满足要求的EN55022 Class B测试标准，如图10d所示。

图9 EMI滤波器Fig.9 EMI filter

图10 输出滤波器对传导噪声的影响Fig.10 Effect on conducted noise from output filter

5 结论

本文基于MTLs弱耦合串扰模型，分析了开关电源输出线和输入线CM噪声电流的传播路径，建立输入线和输出线CM噪声串扰耦合模型。借助该模型可以在传导干扰频率范围内预测输入线和输出线传导噪声串扰耦合的影响。

根据仿真分析和实验结果给出以下结论：

（1）在高频段，输出线传导噪声会对输入线产生严重的串扰耦合。

（2）输入线传导噪声对输出线的影响很小。

（3）减小输出线CM噪声，能够改善输入线传导噪声。

（4）更改输出CM滤波器拓扑结构，提高滤波性能，可以改善输出线和输入线传导发射测试结果。

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Conducted EMI of Switching Power Supply Based on MTLs Weak-Coupling Crosstalk Model

Lian Yuxin Li Haoyu Wu Jianqiang Yang Shiyan
（Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Due to the effect of crosstalk coupling, switching power supplies with input lines and output lines closely show that high frequency conducted noises in both lines couple seriously, and it goes against electromagnetic interference (EMI) filter design. The switching power supply with input and output lines on the same side is investigated. Based on multiconductor transmission lines (MTLs) theory and weak-coupling crosstalk model, common mode (CM) noise current propagation paths are analyzed. In addition, the crosstalk model and per-unit-length parameters between input and output lines are presented. Simulation and experiment results indicate the change of output line conducted noise may influence the test result of input line. One improvement method is proposed responsibly to conducted emission.

Multiconductor transmission lines, EMI filter, CM noise, switching power supply, conducted emission

TN811

廉玉欣 男，1980年生，博士，研究方向为电力电子系统的电磁兼容技术。

国家高技术研究发展（863）计划（2007AA06Z231）。

2009-03-21 改稿日期 2009-06-15

李浩昱 男，1974年生，博士，副教授，研究方向为电力电子系统控制技术、电力电子在系统中的应用等。