肖苗苗，任翔，李靜，馬帥帥，高鵬鵬

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

引言

電源濾波器一般是由電感、電容、電阻等無(wú)源元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，是一種低通濾波器，工作頻段一般在10 Hz～50 MHz，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和系統(tǒng)中。電源濾波器的主要作用是抑制電源產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止EMI信號(hào)干擾設(shè)備中的敏感器件，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定、不失真。EMI包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，屏蔽是抑制輻射最好的方法，而傳導(dǎo)干擾的抑制要通過(guò)電源濾波器的共模和差模電路實(shí)現(xiàn)[1-3]。評(píng)估電源濾波器濾波性能的主要指標(biāo)是共模插入損耗和差模插入損耗。目前差模插入損耗的測(cè)試沒(méi)有統(tǒng)一的方法，不同的端口匹配方式會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的差異，不利于測(cè)試結(jié)果的判定。

1 電源濾波器差模插入損耗性能評(píng)估方法

1.1 電源濾波器工作原理及評(píng)估方法

圖1 是一款單相交流電源濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)圖。它是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)[4]。圖中的L1、L2是共模電感（又稱共模扼流圈），L1和Cy1、L2和Cy2分別構(gòu)成了L-E（即L線-地）、N-E（即N線-地）兩端口低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娫瓷洗嬖诘墓材MI信號(hào)起到抑制作用。由于磁環(huán)材料的非絕對(duì)均勻、線圈繞制的非絕對(duì)對(duì)稱，造成L1、L2的電感量不一致，而L1與L2的差形成了差模電感，這個(gè)差模電感與Cx構(gòu)成了L-N（L線-N線）的差模濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娫瓷洗嬖诘牟钅MI信號(hào)起到抑制作用[5-8]。

圖1 單相交流電源濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

表1 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗技術(shù)指標(biāo)

表2 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗技術(shù)指標(biāo)

評(píng)估電源濾波器的傳導(dǎo)干擾、輻射干擾的抑制性能時(shí)，通常包括器件級(jí)評(píng)估、板級(jí)評(píng)估及整機(jī)級(jí)評(píng)估[5-8]。后兩種評(píng)估需要EMC實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不在本文的討論范圍。本文主要對(duì)電源濾波器器件級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行探討，考慮空載時(shí)插入損耗參數(shù)的測(cè)試情況。共模插入損耗測(cè)試方法采用輸入端短接、輸出端短接再分別連接信號(hào)源與接收機(jī)，不用特別考慮匹配問(wèn)題，因此不作為本文的主要研究?jī)?nèi)容。本文主要對(duì)差模插入損耗測(cè)試時(shí)如何進(jìn)行端口匹配進(jìn)行探討，重點(diǎn)研究端口的匹配方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)制定的IEEE Std 1560-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了100 Hz～10 GHz射頻干擾濾波器的測(cè)試方法[9-13]。國(guó)內(nèi)對(duì)于器件級(jí)電源濾波器的測(cè)試主要有GB/T 7343-2017，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差模插入損耗的測(cè)試方法，“通過(guò)隔離變壓器對(duì)每?jī)筛斎刖€及對(duì)應(yīng)的輸出線進(jìn)行測(cè)量，所有未使用的線都不端接,變壓器的匝數(shù)比為1:1”，該標(biāo)準(zhǔn)采用端接1:1變壓器的方式。國(guó)內(nèi)很多廠家在進(jìn)行差模插入損耗測(cè)試時(shí)，采用端接50 Ω純電阻負(fù)載的方式。因此針對(duì)電源濾波器分別采用端接1:1變壓器和端接50 Ω純電阻負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，分析不同端口匹配方式對(duì)結(jié)果的影響。

1.2 電源濾波器差模插入損耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)

空載的狀態(tài)下，保證源阻抗和負(fù)載阻抗為50 Ω/50 Ω，分別采用端接50 Ω純電阻負(fù)載和端接射頻變壓器的方式對(duì)電源濾波器的差模插入損耗進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)用50 Ω純電阻負(fù)載采用普通的色環(huán)電阻。射頻變壓器采用貴陽(yáng)順絡(luò)迅達(dá)公司的RFT4042A-1/1，頻率范圍：1～600 MHz，50 Ω阻抗匹配的1:1變壓器。

選取國(guó)內(nèi)廠家的兩款電源濾波器，一款為直流電源濾波器，型號(hào)為GCXDD5-6；另一款為單相交流電源濾波器，型號(hào)為A1KL。兩款電源濾波器的差模技術(shù)指標(biāo)如表1和表2 。

1.2.1 端接50 Ω純電阻負(fù)載

1）測(cè)試原理圖見(jiàn)圖2。

2）測(cè)試結(jié)果：

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負(fù)端接50 Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負(fù)端接50 Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 端接50 Ω純電阻負(fù)載的測(cè)試原理圖

表3 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗測(cè)試結(jié)果——端接50 Ω電阻

表4 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗測(cè)試結(jié)果——端接50Ω電阻

1.2.2 端接射頻變壓器

1）測(cè)試原理圖見(jiàn)圖3。

2）測(cè)試結(jié)果：

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負(fù)端接射頻變壓器時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負(fù)端接50Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3 端接射頻變壓器的測(cè)試原理圖

表5 GCXDD5-6差模插入損耗測(cè)試結(jié)果——端接射頻變壓器

表6 單相交流電源濾波器AIKL差模插入損耗測(cè)試結(jié)果——端接射頻變壓器

1.3 端接50 Ω純電阻與端接射頻變壓器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

1.3.1 直流電源濾波器GCXDD5-6測(cè)試結(jié)果比對(duì)

直流電源濾波器GCXDD5-6端接50Ω電阻與端接射頻變壓器差模插入損耗的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 GCXDD5-6兩種端接方式測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比

通過(guò)圖4可以看到，對(duì)于GCXDD5-6直流電源濾波器差模插入損耗測(cè)試時(shí)采用端接射頻變壓器的方式在全頻段（0.01～30 MHz）結(jié)果小于端接50Ω電阻的方式。隨著頻率升高，端接射頻變壓器的插入損耗測(cè)試結(jié)果與端接50 Ω電阻相比，差距越來(lái)越大，從7 dB擴(kuò)大到20 dB。

1.3.2 單相交流電源濾波器A1KL測(cè)試結(jié)果比對(duì)

單相交流電源濾波器A1KL端接50 Ω電阻與端接射頻變壓器測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。

通過(guò)圖5可以看到，對(duì)于A1KL單相交流電源濾波器差模插入損耗測(cè)試時(shí)，在1 MHz以下頻段，插入損耗測(cè)試結(jié)果為：端接50 Ω電阻的方式小于端接射頻變壓器的方式，相差在2～7 dB左右。隨著頻率升高差距逐漸縮小，1 MHz以上頻段出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，端接射頻變壓器的方式小于端接50 Ω電阻，相差在6～17 dB左右。

1.3.3 小結(jié)

插入損耗是評(píng)估電源濾波器濾波性能的重要指標(biāo)，不論設(shè)計(jì)者還是使用方都希望插入損耗越小越好[14,15]。實(shí)際插入損耗的測(cè)試結(jié)果為負(fù)值，為了便于分析、計(jì)算，上文表格中的插入損耗值均為取絕對(duì)值后的結(jié)果。

通過(guò)差模插入損耗測(cè)試結(jié)果比對(duì)，我們可以看到：對(duì)于直流電源濾波器，端接射頻變壓器的測(cè)試結(jié)果明顯優(yōu)于端接50 Ω電阻。整個(gè)頻段，兩種端接方式相差7～20 dB；對(duì)于交流電源濾波器，低頻段（1 MHz以下）端接50 Ω電阻優(yōu)于端接射頻變壓器，高頻段（1 MHz以上）端情況相反。整體來(lái)看，對(duì)于電源濾波器采用端接射頻變壓器的方式測(cè)試差模插入損耗，測(cè)試結(jié)果更加理想。

2 結(jié)束語(yǔ)

以上試驗(yàn)是在空載的情況下進(jìn)行的，目的是搭建阻抗匹配網(wǎng)路，對(duì)單個(gè)電源濾波器的濾波性能進(jìn)行快速評(píng)估。電源濾波器實(shí)際工作時(shí)，源阻抗和負(fù)載阻抗不一定是50 Ω，這時(shí)構(gòu)建的50 Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將不再適用，需要根據(jù)阻抗失配的具體情況進(jìn)行分析、評(píng)估。另外電源濾波器的安裝方式對(duì)性能指標(biāo)也有很大影響，如果應(yīng)用或安裝不當(dāng)，還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低插入損耗[16]。因此當(dāng)電源濾波器安裝完成后需要在EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，通過(guò)傳導(dǎo)干擾及輻射抗擾度指標(biāo)衡量整機(jī)的EMC性能是否符合要求。

圖5 A1KL兩種端接方式測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比