基于时域测量的传导电磁干扰分离技术与实现

夏 伟,高申翔,崔 豹,顾卫红

(中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431)

0 引言

随着电力电子设备的大量使用、现代开关器件工作频率的升高以及输出功率的增大,电力线传输系统中的传导电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题不断涌现。 因此,电磁干扰噪声的有效测量和抑制已逐渐成为电磁兼容(electro magnetic compatibility,EMC)研究中的一个研究热点[1-5]。 在目前的功率变换器电磁干扰研究领域,无源EMI 滤波器设计是抑制系统传导电磁干扰的有效方法。 针对某个特定的系统,在设计EMI 滤波器时需要根据其噪声特征进行专门设计。 根据电磁干扰的形成机理分类,电磁干扰通常分为差模干扰和共模干扰。 其主要区别是两者形成的回路不同。 在设计EMI 滤波器时,同样需要分为差模和共模两个方向进行专门设计。 目前,国际上规定的传导电磁干扰测量设备为线性阻抗稳定网络(linear impedance stabilization network,LISN),所测得的是差模和共模的汇合信号。 因此,将LISN 测得的噪声信号分离为差模信号和共模信号,是抑制电磁干扰首先要解决的问题[6-7]。

为解决上述问题,国内外学者作了相关研究。 美国的Paul 和Nave、新加坡的See、法国的Mardiguian 等先后提出了以射频变压器为核心器件的传导EMI 噪声分离网络[8-10]。 这些网络虽然可以初步实现对噪声的分离,但由于采用变压器作为主要分离器件,在高频条件下会因杂散效应影响而产生较明显的性能衰退现象。 美国的Guo 提出了采用0°/180°功分器取代变压器的分离网络[11]。 但在实际使用时,220 V 交流电对地电压不对称容易使功分器进入饱和状态造成信号失真,一定程度上影响了其推广使用。 另一方面,借助计算机数值计算功能,Lo 和孙亚秀提出了传导干扰软分离方法[12-13]。 由于仍然需要单模分离网络,因此该方法实际上只能称为半软分离方法。 近年来,随着人工智能算法的推广应用,赵波和赵敏提出了双/单通道传导电磁干扰噪声盲源分离方法。 试验证明,该方法的分离性能取决于小波函数的选取。 由于传导电磁干扰噪声先验信息的不确定性影响,该方法在实际测试时测量结果的重复性和稳定性有待验证。

本文提出一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术方法。 该方法作为完全软件分离方法,与上述半软分离方法相比,无需单模分离网络支持,单次测量便可直接给出差模和共模信号频谱,具有更高的现场测试效率。

1 传导电磁干扰分离技术的测试原理

参考CISPR16 标准规范,传统传导电磁干扰分离测试首先使用LISN 耦合电源线干扰信号。 一般传导电磁干扰分离测试原理如图1 所示。 LISN 允许50 Hz或60 Hz 的电源信号输入到被测设备而无衰减,但不允许外部噪声信号通过。 被测设备产生的噪声信号被过滤耦合到LISN 的监测输出端。

图1 一般传导电磁干扰分离测试原理图Fig.1 Schematic diagram of general conducted electromagnetic interference separation test

由式(1)可知,若把LISN 输出的监测信号直接输入EMI 接收机,则接收机所测得的噪声信号实际上是共模和差模信号的和或差。 因此,需要再增加专门的噪声分离网络,分别耦合出差模和共模干扰信号,再使用EMI接收机进行测量。 由于噪声分离网络和EMI 接收机价格昂贵,受限于使用成本,多用于标准电磁兼容实验室,一般现场传导电磁干扰测试排查难以推广应用。

同样作为软件分离方法,文献[11]、文献[12]提出了传导电磁干扰软分离方法。 其基本原理如下。

为解决上述问题,本文提出一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术。 基于时域测量的传导电磁干扰分离测试原理如图2 所示。

图2 基于时域测量的传导电磁干扰分离测试原理图Fig.2 Schematic diagram of conducted electromagnetic interference separation test based on time domain measurement

如图2 所示,LISN 的相线L 监测端输入示波器通道1,中线N 监测端输入通道2。 示波器对输入信号进行时域采样,计算机对采集到的时域信号执行相加和相减操作,得到如下信号:

EMC 标准规范一般使用频域限值作为结果评估依据。 因此,本文基于时域测量的传导电磁干扰分离测试方法同样需要计算信号的频谱分量。 通过对式(4)中的采样数据进行快速傅里叶变换,可以求得一个时变信号的频谱。 以下给出使用快速傅里叶变换计算幅度和功率谱的计算过程。 对长度为N的时间序列x[n]进行离散傅里叶变换,求得S[f]如下:

由于被测信号为随机噪声信号,直接使用式(5)计算将难以获得稳定的测量结果。 因此,本文采用Welch 方法来获得随机信号的功率谱密度估计。 其本质是修正周期图的一种方法,是通过采样数据分段重叠及加窗等技术,达到降低估计方差的目的。 具体过程是:将N个采样数据{x(0),x(1),…,x(N-1)}分为K段,每段数据长为L,其中有(L-D)个数据为相邻重叠数据,即N=L+D(K-1)。 第i段L个数据为:xi(n)=x(n+iD)。 其中:n=0,1,…,L-1,i=0,1,…,K-1。 对每一段数据进行加窗处理,并分别计算功率谱:

式中:Fs为时域信号采样率;L为快速傅里叶变换计算数据长度,两者相除为模拟带宽;λ为快速傅里叶变换功率修正系数。

②功率谱P转化为幅度谱V。

式中:R为示波器输入阻抗,取50 Ω。

③线性单位转化为对数单位。

EMC 标准规范限值曲线通常使用dB·μV 单位进行表述。 因此,本文计算结果可以使用上述步骤换算得到。 传导电磁干扰分离测试程序流程如图3所示。

图3 传导电磁干扰分离测试程序流程图Fig.3 Flowchart of conducted electromagnetic interference separation test procedure

2 传导电磁干扰分离技术的性能测试

首先,明确测试目的:获取分离网络的插入损耗和噪声抑制比2 个性能参数。 这里参考文献[6]定义的描述分离网络性能。 使用如下参数,即共模插入损耗(common mode insertion loss,CMIL)、差模插入损耗(differential mode insertion loss,DMIL)、共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)和差模抑制比(differential mode rejection ratio,DMRR)。 具体定义为:网络输入信号U1和输出信号U2之间的测量传递函数;当U1、U2为相同模态信号时,为噪声插入损耗;当U1、U2为不同模态信号时,为噪声抑制比。

其次,确定测试设备,包括2 个方面。 一是噪声分离与测试系统,包括2 台常州多极LNF102A50 型LISN,1 台泰克TDS3052B 数字示波器,用于构建传导电磁干扰分离测试试验平台。 为保证试验满足检测规范[5]要求,使用1 块3 mm 不锈钢接地平板和1 台500 W 隔离变压器提升用电安全。 二是噪声模拟输出设备,包括1 台函数发生器33250A 和一个180°功分器,用于模拟差模传导干扰噪声。

下面是测试步骤:函数发生器输出正弦波信号,幅度设为3 V 峰-峰值,频率按测试结果表的频率顺序输出;180°功分器模拟差模噪声信号输出,随后差模噪声输入到LISN 电源输出端;LISN 监测端信号分别输入到数字示波器2 个输入通道;示波器输入通道耦合选择AC 耦合,采样模式设为16 次平均,垂直挡位使用“AutoSet”自动设置,水平挡位由计算机测量程序控制,最好由计算机读取示波器的测量波形并计算测量结果。 需要注意的是:LISN 供电输入端不加电。 分离网络的性能测试连接如图4 所示。

图4 分离网络的性能测试连接框图Fig.4 Performance test connection diagram of separated network

最后进行数据处理。 设计算机数据处理后所得差模信号幅度为V1、共模信号幅度为V2,以及在此基础上去掉两个LISN 进行直接测试的差模信号(幅度为V0),则有:

分离网络差模和共模干扰测试性能结果分别如表1 和表2 所示。

表1 分离网络差模干扰测试性能结果表Tab.1 Differential mode interference test results of separated network

表2 分离网络共模干扰测试性能结果表Tab.2 Common mode interference test results of separated network

根据表2 可知,分离网络的插入损耗在10～100 kHz 频率范围内存在较大损耗。 影响因素主要来源于两个方面。 一是LISN 在该频率范围内输入阻抗与标准50 Ω 存在较大差异。 阻抗失配将导致信号衰减或损耗。 二是数字示波器使用AC 耦合。 其对100 kHz 以下频率信号亦有明显抑制效果。 这里使用AC 耦合主要是为了抑制电源线50 Hz 低频交流信号在LISN 监测输出端的残余成分,因此在实际测试时需对测量结果进行修正处理。 对于差模抑制比和共模抑制比,除个别频率点外基本小于30 dB,能够满足一般电磁干扰现场测试使用需求。

3 分离网络的实测验证

首先,明确测试目的:验证分离网络的实测效果。参考分离网络主要应用场合,以特定电气设备的传导电磁干扰信号为测试对象,通过比较加载EMI 滤波器前后的信号变化验证分离网络的使用效果,测试参数包括差模干扰和共模干扰的信号频谱。

其次,确定测试设备。 一是噪声分离与测试系统,按图4 配置。 二是噪声模拟输出,采用某型号LED 台灯和EMI 滤波器B3LB-6A,以生成典型传导电磁干扰噪声。

测试步骤如下。 首先,220 V 交流电源通过LISN 受试端向被测设备(台灯)供电,使用示波器测量LISN 监测端输出干扰信号,通过计算机信号处理获得滤波前差模和共模干扰信号频谱。 其次,在LISN 和被测设备之间加入EMI 滤波器,再次测量滤波后差模和共模干扰信号频谱。 在其他设置方面,示波器输入通道耦合选择AC 耦合,垂直挡位使用20 mV/格,水平挡位由计算机测量程序控制。 分离网络实测验证结果如图5 所示。

图5 分离网络实测验证结果图Fig.5 Separated network measurement verification results

图5 中的直线为标准参考限值[5]。 滤波前,被测设备的差模和共模干扰比较明显,相比之下,差模干扰比共模干扰更强,幅度相差约10 dB。 若考虑6 dB 安全裕量,则差模传导电磁干扰可能超标。 经EMI 滤波后,传导电磁干扰信号均明显减少,约10 dB,在10 kHz 至1 MHz 频率范围内差模和共模干扰抑制效果明显。 最后,比较参考限值与实测信号的平均噪声电平,两者相差约30 dB,说明本文所设计传导电磁干扰噪声分离测试系统自身显示平均噪声电平较低。 这对于分辨低电平噪声是有利条件。

4 结论

本文提出一种基于时域测量的传导电磁干扰分离技术。 其原理是通过对LISN 输出信号进行时域采样。根据差模干扰和共模干扰的定义,使用数值计算方法实现传导电磁干扰的软件分离和频谱输出。 试验证明,该传导电磁干扰分离方法是切实可行的。

与标准传导电磁干扰测试方法相比,该方法使用数字示波器代替昂贵的EMI 接收机,而且无需独立的CM-DM 分离网络,可以极大地降低测试系统硬件成本,适用于电磁干扰预兼容测试或后期整改测试。

与半软分离方法相比,本文提出的方法实现了传导电磁干扰全软分离,无需单模分离网络,且不存在半软分离方法的测量同步难题。 经验证,该方法在现场传导电磁干扰测试排查工作中具有较高的实用价值。