趙 波閆景瑞趙 陽(yáng)

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

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基于雙電流探頭和四種狀態(tài)測(cè)試的EMI噪聲源阻抗提取方法

趙 波1閆景瑞2趙 陽(yáng)2

（1. 江蘇省計(jì)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(cè)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(cè)噪聲源的高頻阻抗。以商用開(kāi)關(guān)電源為測(cè)試對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了源阻抗幅值和相位的測(cè)試和計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的有效性。本文設(shè)計(jì)的四種狀態(tài)測(cè)試方法，基本涵蓋了所有的阻抗描述情況，克服了測(cè)試過(guò)程中存在的近似和理想化的約束條件，測(cè)量的精度提高，為電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)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(lái)，電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，而解決傳導(dǎo)EMI噪聲問(wèn)題，常用的方法是設(shè)計(jì)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(jì)EMI濾波器之前，需要對(duì)噪聲源阻抗進(jìn)行分析和提取。到目前為止，國(guó)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(guò)測(cè)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(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Zhang Dongbing提出［4］，該方法是通過(guò)計(jì)算被測(cè)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(guó)的孟進(jìn)也提出了基于模型參數(shù)的估計(jì)法，通過(guò)在被測(cè)噪聲源與測(cè)試電阻之間加入已知阻抗的RLC單元網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量在加載RLC單元網(wǎng)絡(luò)前后的測(cè)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(yùn)用過(guò)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(hào)注入或接受設(shè)備，配合頻譜分析儀分別計(jì)算加載被測(cè)噪聲源前后測(cè)試系統(tǒng)總阻抗，做減法求得噪聲源阻抗。該方法只能測(cè)得噪聲源阻抗的幅值，而無(wú)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(gè)電流探頭和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），經(jīng)過(guò)測(cè)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(shí)的阻抗，由此計(jì)算出測(cè)試系統(tǒng)的必要參數(shù)，從而提取到被測(cè)設(shè)備的噪聲阻抗，為EMI濾波器的設(shè)計(jì)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(cè)試噪聲源阻抗的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是，它不需要與被測(cè)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(chǎng)情況下，因此極大地降低了安全風(fēng)險(xiǎn)［8］。如圖 1所示，射頻信號(hào)從VNA的端口1通過(guò)注入探頭注入回路，在VNA的端口2通過(guò)接收探頭接收。

圖1　阻抗提取原理圖

高頻電流探頭的測(cè)量原理是是法拉第電磁感應(yīng)原理，本質(zhì)上是一個(gè)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(hào)電流注入到測(cè)試電路中或?qū)㈦娐分袀鬏數(shù)母蓴_信號(hào)電流耦合到測(cè)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(cè)壓原理，被測(cè)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(cè)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(gè)復(fù)數(shù)之比定義，可以評(píng)估反射信號(hào)及傳送信號(hào)的性能［10］。同時(shí)，利用S參數(shù)描述設(shè)備的電氣特性，避免對(duì)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(duì)EMI的效應(yīng)問(wèn)題。

2 四種狀態(tài)提取K和Zsetup

為了得到ZX的值，需要計(jì)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(cè)量方法，提取K和Zsetup實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

在圖1的閉合線路中，移去被測(cè)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(kāi)VNA測(cè)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(diǎn)（0.15MHz、0.30MHz、…、30.00MHz），并在4種狀態(tài)時(shí)分別記為包括對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的幅值和相位。

圖4　測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(xiě)相應(yīng)計(jì)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(shí)例與結(jié)果分析

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

圖5　被測(cè)設(shè)備阻抗測(cè)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(cè)探頭，其實(shí)物如圖6所示，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1。該電流探頭主要用于測(cè)量沿導(dǎo)線或電纜上傳播的干擾電流，測(cè)試頻率范圍為20Hz～1000MHz。

圖6　電流探頭實(shí)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(hào)注入和接收裝置。其是輸入阻抗為50Ω的干擾測(cè)量?jī)x，因此可用作電流探頭的測(cè)量指示器。在使用前需要用配套校準(zhǔn)件對(duì)其傳輸參數(shù)和反射參數(shù)分別進(jìn)行短路、開(kāi)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(cè)試時(shí)的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，包括對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的幅值和相位。

如圖7所示為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所的AV2782精密LCR測(cè)試儀，主要由一臺(tái)主機(jī)和配套測(cè)試夾具組成，可以測(cè)量元件的電阻、電容、電感等參數(shù)，阻抗測(cè)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(yàn)。

圖7　AV2782精密LCR測(cè)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(cè)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(wú)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(wèn)題時(shí)，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(guó)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(huì)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(duì)其修正。

經(jīng)過(guò)4種狀態(tài)測(cè)試后，加載商用開(kāi)關(guān)電源作為被測(cè)噪聲源，該開(kāi)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(cè)阻抗的誤差分析見(jiàn)表2、表3。由圖9（a）和表2可以看出，阻抗幅值的計(jì)算值與理論值變化趨勢(shì)基本一致，偏差隨著頻率的升高而逐漸增大，但不超過(guò)2°，最大相對(duì)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(jì)算值和理論值變化趨勢(shì)非常一致，偏差隨著頻率的升高而降低，最大為 0.6°，但相對(duì)誤差則越來(lái)越大，20MHz以上時(shí)超過(guò)了10%。

圖9　被測(cè)阻抗的頻率特性曲線

評(píng)估本文理論方法和測(cè)試平臺(tái)，誤差的產(chǎn)生大致有以下幾點(diǎn)：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(cè)量回路參數(shù)K和Zsetup的實(shí)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(shí)的S參數(shù)難以保證每次都穩(wěn)定，取值時(shí)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(cè)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(cè)量中忽略了其高頻誤差，以標(biāo)稱值代替實(shí)際值，引進(jìn)了累積誤差；④用計(jì)算機(jī)編程解算超定方程組時(shí)，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(duì)較好的準(zhǔn)牛頓法。

表2　被測(cè)阻抗的幅值測(cè)試誤差分析

表3　被測(cè)阻抗的相角測(cè)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(jì)EMI濾波器解決干擾問(wèn)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(jì)了一套系統(tǒng)全面的測(cè)量方法：①基于雙電流探頭和VNA的測(cè)試平臺(tái)，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(jiǎn)，無(wú)需使用輔助模塊，降低了由信號(hào)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(cè)試方法，基本涵蓋了所有的阻抗描述情況，克服了測(cè)試過(guò)程中存在的近似和理想化的約束條件，提高了測(cè)量精度；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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)。

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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?yàn)殡姶偶嫒菖c計(jì)量。

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51307050）