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传导式EMI的丈量技能解析

传导发射(conductedEmission)是指部分的电磁(射频)能量透过外部缆线(cable)、电源线形成传导波发射出去。本文介绍经由电源线的…

  传导发射(conducted Emission)是指部分的电磁(射频)能量透过外部缆线(cable)、电源线构成传导波发射出去。本文介绍经由电源线的传导发射。 差模和共模噪声 「传导式EMI」能够分红两类:差模(Differential mode;DM)和共模(Common mode;CM)。差模也称作「对称形式(symmetric mode)」或「正常形式(normal mode)」;而共模也称作「不对称形式(asymmetric mode)」或「接地走漏形式(ground leakage mode)」。

  由EMI产生的噪声也分红两类:差模噪声和共模噪声。简而言之,差模噪声是当两条电源供给线路的电流方向互为相反时产生的,如图1(a)所示。而共模噪声是当一切的电源供给线路的电流方向相同时产生的,如图1(b)所示。一般来说,差模信号一般是咱们所要的,由于它能承载有用的数据或信号;而共模信号(噪声)是咱们不要的副作用或是差模电路的‘副产品’,它正是EMC的最大难题。

  

  从图一中,能够清楚发现,共模噪声的产生大多数是由于杂散电容(stray capacitor)的不妥接地所形成的。这也是为何共模也称作‘接地走漏形式’的原因。

  在图二中,DM噪声源是透过L和N对偶线,来推挽(push and pull)电流Idm。由于有DM噪声源的存在,所以没有电流经过接地线路。噪声的电流方向是依据沟通电的周期而改变的。

  电源供给电路所供给的根本的沟通作业电流,在本质上也是差模的。由于它流进L或N线路,并透过L或N线路脱离。不过,在图二中的差模电流并没有包括这个电流。这是由于作业电流虽然是差模的,但它不是噪声。另一方面,对一个电流源(信号源)而言,若它的根本频率是电源频率(line frequency)的两倍—-100或120Hz,它实质上仍是归于直流的,并且不是噪声;即便它的谐波频率,超越了规范的传导式EMI之约束规模(150 kHz to 30 MHz)。可是,有必要留意的是,作业电流依然保存有直流偏压的能量,此偏压是供给给滤波抗流线圈(filter choke)运用,因而这会严重影响EMI滤波器的效能。这时,当运用外部的电流探针来量测数据时,很可能因而形成丈量误差。

  

  CM噪声源有接地,并且L和N线路具有相同的阻抗Z。因而,它驱动相同巨细的电路经过L和N线路。不过,这是假定两者的阻抗巨细持平。能够清楚地调查出,倘若两边的阻抗不均衡(unbalanced),‘不对称’的共模电流将分布在L和N线路上。这似乎是用词不妥或与原界说不符,由于CM原本又称作 ‘不对称形式’。为了防止混杂,此刻的形式应该称作‘非对称(nonsymmetric)形式’,好和‘不对称形式’做区别。在大多数的电源供给电路中,在这个形式下所宣布的EMI是最多的。

  运用不等值的负载或线路阻抗,就能够有效地将CM电流转换成一部分是CM电流,另一部分是DM电流。例如:一个DC-DC转换器(converter)供给电源给一个次体系,此次体系具有不等值(不均衡)的阻抗。并且在DC-DC转换器的输出端存在着尚未被发觉的共模噪声,它变成一个十分实在的(差动)输入电压涟波,并施加给次体系。没有次体系内建的「共模拒斥率(common mode rejection ratio;CMRR)」能够参阅,由于此噪声不完满是共模的。到最终,此次体系可能会产生过错。所以,在产生共模电流时,就要立刻下降它的巨细,这是十分重要的,是首要作业。使阻抗均衡则是非有必要作业。此外,由于共模和差模的特性,共模电流的频率会比差模的频率大。因而,共模电流会产生很大的射频辐射。并且,会和附近的组件和电路产生电理性与电容性的耦合。一般,一个5uA的共模电流在一个1m长的导线中,所产生的射频辐射量会超越FCC所规范的B类限定值。FCC的A类规范约束共模电流最多只能有15uA。此外,最短的沟通电源线,按照规范规则是1m,所以电源线的长度不能比1m短。

  在一个实在的电源供给电路里,差模噪声噪声源很像是一个电压源。而共模噪声源的行为却比较像是一个电流源,这使得共模噪声更难被消除。它和一切的电流源相同,需求有一个活动途径存在。由于它的途径包括外壳(chassis),所以外壳可能会变成一个大型的高频天线。 回来途径 对噪声电流而言,真实的回来途径是什么呢? 实体的电气途径之间的间隔,最好是越大越好。由于假如没有EMI滤波器存在的话,部分的噪声电流将会透过分布于各地的各种寄生性电容回来。其余部分将透过无线的方法回来,这便是辐射;由此产生的电磁场会影响相邻的导体,在这些导体内产生极小的电流。最终,这些极小的回来电流在电源供给输入端的总和会一向坚持零值,因而不会违背【Kirchhoff规律】——在一关闭电路中,过一节点的电流量之代数和为零。

  运用简略的数学公式,就能够将于L和N线路上所测得的电流,区别为CM电流和DM电流。可是为了防止产生代数核算的过错,有必要先对电流的「正方向」做一界说。能够假定若电流由右至左活动,便是正方向,反之则为负方向。此外,有必要记住的是:一个电流I若在任一线路中往一个方向活动时,这是等同于I往另一个方向活动的(Kirchhoff规律)。

  例如:假定在一条线路(L或N)上,测得一个由右至左活动的电流2μA。并在另一条线路上,测得一个由左至右活动的电流5μA。CM电流和DM电流是多少呢?就CM电路而言,假定它的E连接到一个大型的金属接地平面,因而无法丈量出流过E的电流值(假如能够测得,那将是简略的Icm)。这和一般离线的(off-line)电源供给器具有3条(有接地线)或2条(没有接地线)电线不同,咱们将会发现对那些接地不明的设备而言,其实它们具有一些走漏(回来)途径。

  以图一为例,假定第一次丈量的线路是L(若挑选N为初次丈量的线路,底下所核算出来的成果也是相同的)。由此能够导出:

  IL = Icm/2 + Idm= 2μA

  IN = Icm/2 – Idm= -5μA

  求解上面的联立方程式,能够得出:

  Icm = -3μA

  Idm = 3.5μA

  这表明有一个3μA的电流,流过E(这是共模的界说)。并且,有一个3.5μA的电流在L和N线路中来回活动。

  再举一个比如:假定测得一个2μA的电流在一条线路中由右至左活动,并且在另一条线路中没有电流存在,此刻,CM电流和DM电流为多少?

  IL = Icm/2 + Idm= 2μA

  IN = Icm/2 – Idm= 0μA

  对上面的联立方程式求解,可得出:

  Icm = 2μA

  Idm = 1μA

  这是「非对称形式」的比如。从此成果能够看出,「非对称形式」的一部分能够视为「不对称(CM)形式」,而它的另一部分可视为「对称(DM)形式」。

  传导式EMI的丈量

  为了要丈量CE,咱们有必要运用线路阻抗安稳网络(Line Impedance Stabilization Network;LISN)。如图三所示一个简易的LISN电路图。

  

  运用LISN的意图是多重的。它是一个「洁净的」沟通电源,将电能供给给电源供给器。接收机或频谱分析仪能够运用它来读出丈量值。它供给一个安稳的均衡阻抗,即便噪声是来自于电源供给器。最重要的是,它答应丈量作业能够在任何地址重复进行。对噪声源而言,LISN便是它的负载。假定在此LISN电路中,L 和C的值是这样决议的: 电感L小到不会下降沟通的电源电流(50/60Hz);但在希望的频率规模内(150 kHz to 30MHz),它大到能够被视为「开路(open)」。%&&&&&%C小到能够隔绝沟通的电源电压;但在希望的频率规模内,它大到变成「短路(short)」。

  在图三中,首要的简化部分是,缆线或接收机的输入阻抗现已被包括进去了。丈量传导时,将一条典型的同轴缆线连接到一台丈量仪器(分析仪或接收机或示波器…等)时,对一个高频信号而言,此缆线的输入阻抗是50欧姆(由于传输线效应)。所以,当接收机正在丈量这个信号时,假定在L和E之间,LISN运用一个「继电/切换(relay/switch)电路」,将实践的50欧姆电阻移往相反的配对线路上,也便是在N和E之间。如此就能使一切的线路在任何时候都能坚持均衡,不管是丈量VL或VN。

  挑选50欧姆是为了要仿真高频信号的输入阻抗,由于高频信号所运用的首要导线之阻抗值近似于50欧姆。此外,它能够让一般的丈量作业,在任何地址、任何时刻重复地进行。值得留意的是,电信设备的通讯端口是运用「阻抗安稳网络」,它是运用150欧姆,而不是50欧姆;这是由于一般的「数据线路(data line)」之输入阻抗值近似于150欧姆。

  

  为了了解VL和VN,请参阅图四。共模电压是25Ω乘以流向E的电流值(或者是50Ω乘以Icm/2)。差模电压是100Ω乘以差模电流。因而,LISN供给下列的负载阻抗给噪声源(没有任何的输入滤波器存在):

  CM负载阻抗是25Ω,DM负载阻抗是100Ω。

  当LISN切换时,能够由下式得出噪声电压值:

  VL=25*Icm+50*Idm 或 VN=25*Icm – 50*Idm

  这是否意味着只需在L-E和N-E上做丈量,就能够知道CM和DM噪声的相对份额巨细?

  其实,许多人常有这样的过错观念:「假如来自于电源供给器的噪声大部分是归于DM的,则VL和VN的巨细将会持平。假如噪声是归于CM的,则VL和VN的巨细也会持平。可是,假如CM和DM的辐射巨细简直持平时,则VL和VN的丈量值将不会相同。

  假如这样的观念正确的话,那就表明即便在一个离线的电源供给器中,L和N线路是对称的,但L和N线路上的辐射量仍是不持平的。在某一个特别的时刻点,两线路上的单个噪声巨细可能会不持平,但实践上,射频能量是以沟通的电源频率,在两条线路之间「跳动」着,好像作业电流相同。所以,任何侦测器丈量此两条线路时,只需丈量的时刻超越数个电压周期,VL和VN的丈量值差异将不会很大的。不过,极小的差异可能会存在,这是由于有各种不同的「不对称性」存在。当然,VL和VN的丈量成果有必要契合EMI的约束规则。

  运用LISN后,就不需求别离丈量CM和DM噪声值,它们是运用上述的代数公式求得的。

  有人说:「频率大约在5 MHz以下时,噪声电流倾向于以差模为主;但在5 MHz以上时,噪声电流倾向于以共模为主。」不过这种说法缺少依据。当频率超越20 MHz时,首要的传导式噪声可能是来自于电感的感应,尤其是来自于输出缆线的辐射。本质上这是共模。但对一个交换式转换器而言,这并不是共模噪声的首要来历。如表一所示,规范的传导式EMI约束之频率丈量规模是从150 kHz至30 MHz。为何频率规模不再向上添加呢?这是由于抵达30 MHz今后,任何传导式噪声将会被首要的导线大幅地衰减,并且传输间隔会变短。但缆线当然还会持续辐射,因而「辐射约束」的规模实践上是从30MHz到 1GHz。

  结语

  工程师都习气将电源供给器幻想成一个「洁净的」电源,其实来自电源电路的传导发射是很杂乱的。

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