CN103823127A - 一种传导性共模/差模噪声分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传导性共模/差模噪声分离方法，属于传导性电磁兼容噪声测量技术领域。该方法结合射频电流探头测量与软件分离计算，适用于单相线上的传导干扰测量。测量步骤是：一利用射频电流探头直接测量相线、中线和共模传导干扰频谱，电流探头输出端通过同轴线连接于频谱仪，频谱仪工作于峰值检波模式；二校准步骤一中干扰频谱数据，利用矢量网络分析仪测量步骤一中所用的电流探头和同轴线的传输导纳；三将修正后的和代入公式就能够得到差模电流频谱进而获取差模和共模模态的干扰电压。本发明采用的测试方法，能够快速测量各线上的传导干扰频谱，并实现共模和差模干扰的分离。主要用于电磁兼容噪声在线测量。

Description

一种传导性共模/差模噪声分离方法

技术领域

本发明属于传导性电磁兼容噪声测量技术领域。

技术背景

电力电子的广泛使用，带来日益严峻的电磁干扰问题。传导性电磁干扰噪声分为共模噪声和差模噪声两种模态。在单相***中，差模噪声存在于相线和中线之间，共模噪声指的是相线或中线对地的干扰电压。产品出厂前需要测量其工作时产生的干扰，根据标准限制和干扰数据，设计合理有效的抑制手段。对于共模噪声和差模噪声的不同特性，设计者需要提出不同的抑制方法。传导性电磁干扰的测量及其共模/差模的分离，是电磁兼容测量领域一个非常重要的研究内容。

国内外学者对CM/DM分离方法做了大量研究，提出了不同的分离方法。美国Paul（Paul C R, Hardin K B.Diagnosis and reduction of conducted noiseemission[J].IEEE Transaction on EMC,1988,30 (4):553-560）采用一对带中心抽头、变比为1:1的射频变压器作为核心，公开了一种带机械式开关来选择CM/DM的模态输出的分离网络。由于开关本身的机械式特点，会引起噪声，从而影响分离网络的高频识别性能。此后，See（See K Y.Network for conducted EMIdiagnosis[J]. Electronic Letters,1999,35(17):1446-1447）利用两个宽频带射频变压器，使得“相线”和“中线”上的噪声实现矢量“相加”、“相减”功能，分离出共模和差模信号，改进了由于机械开关带来的不利影响。美国的Guo（TingGuo,Chen D Y,Lee F C.Separation of the common

mode and differential

modeconducted EMI noise[J].IEEE Transaction on Power Electronics,1996 ,11(3):480-488）公开了一种基于0°/180°功率合成器，可以良好得到差模和共模的输出，大大提高了分离网络的性能。但由于成本太高，难以广泛推广使用。

Shuo Wang,Fred.C.Lee and Willem Gerhardus Odendaal.公布了“一种单相传导干扰的共模差模噪声分离方法”（Characterization,evaluation,and design ofnoise separator for conducted EMI noise diagnosis[J],IEEE transactions on powerelectronics,2005,20(4):974-982），设计了一个由两个1:1的传输线变压器组成的分离器。工作时，分离器中的两个变压器的T1和T2分别作为差模扼流圈和共模扼流圈，在50Ω的阻抗上的电压降分别为共模和差模信号。该分离方法的测试时，需将分离器连接于线性阻抗稳定网络的两个输出端，待测设备产生的干扰，将通过扼流圈在两个输入端的分别输出共模和差模信号。使用该分离器能够有效分离出共模和差模信号，但必须保证V1的输入端和V2的输入端的阻抗为50Ω，且阻抗值不随着噪声源的频率变化，这就要求扼流圈的特性阻抗严格符合设计需要。扼流圈的特性阻抗不仅与线圈的损耗有关，还与两个电感的漏感和之间的分布电容有关，这就给扼流圈的制作带来困难。

由于电流探头尺寸或线的长度问题存在，绕线钳夹测量差模噪声变为困难。加入额外的差模/共模分离网络，这无疑会增加测量成本和测试周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种传导性共模/差模噪声分离方法，它能有效地解决单相***电源线上的噪声提取和共模/差模噪声的分离问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种传导性共模/差模噪声分离方法，其实现步骤如下：

步骤一：准备接入测试环境，连接测试设备；

步骤二：测量开关电源相线、中线和共模干扰电流频谱，使用电流探头和频谱仪测量选定测量频率范围内的干扰频谱，包括相线上传导干扰、中线上传导干扰和共模传导干扰；

步骤三：校准步骤二中的频谱数据，采用矢量网络分析仪方法校准电流探头的传输导纳Y_t，代入下式，得到相线干扰电流频谱

中线干扰电流频谱和共模干扰频谱

I=V+Y_t

步骤四、软件分离差模干扰电流频谱，将第二步得到的频谱数据

和

代入下式，计算得到差模干扰电流频谱：

$\left|{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{DM}}\right|=\frac{1}{2}\sqrt{{\left|{\stackrel{\→}{I}}_L\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{I}}_N\right|}^2-2{\left|{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{CM}}\right|}^2}$

步骤五、所测干扰电压即为电流在50Ω负载上的电压降，因此干扰电压可以通过下式获得：U=50×I。

所述软件分离是通过程序读取电流探头测得数据和背景噪声数据以及矢量网络分析仪的频谱；将电流测得探头数据和背景噪声数据的单位由dBuV转化为uV；将电流测得探头数据减去背景噪声数据，得到L线、N线和共模电压；并且读取矢量网络分析仪S参量S₂₁在测量频带数据；修正传输导纳Y；得到L线、N线和共模电流|I_L|、|I_N|和|I_CM|，计算分离差模电流并输出。

通过电流探头测量和软件分离程序，考虑共模噪声和差模噪声相位的影响，实现了单相***电源线上的噪声提取和共模/差模噪声的分离。

使用电流探头测量相线干扰、中线干扰和两者的共模干扰噪声的布置和不同的测量钳夹方式。使用线性阻抗稳定网络隔绝外网的干扰，电流探头连接频谱仪测量待测设备产生的干扰频谱。其中L和N分别为电源输入端火线和中线；

和分别为相线输入端电流、中线输入端电流、共模电流和差模电流；|I_L|、|I_N|和|I_CM|分别为频谱仪检测的相线噪声电流频谱、中线噪声电流频谱和两者共模噪声电流频谱。相线、中线电流和两者之间的共模、差模电流关系可以表示为：

${\stackrel{\→}{I}}_L={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{CM}}+{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{DM}}---\left(1\right)$

${\stackrel{\→}{I}}_N={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{CM}}-{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{DM}}---\left(2\right)$

可以看出，共模电流存在对相线和中线对地的电流，而差模电流存在于两者之间。当电流探头钳夹住相线（中线）时，频谱仪接收到的数据为相线（中线）的噪声频谱；当电流探头同时钳夹住相线和中线时，频谱仪接收到的数据为两者之间的共模噪声频谱。

直接通过频谱仪接收的数据为电压单位，而电流探头测量的是线上干扰电流。因此，需要对电流探头进行校准。

校准原理：I为线上干扰电流，V1和V2分别代表阻抗为50Ω的线性阻抗稳定网络和频谱仪的电压降，均为dB值，由电流探头和同轴线的传输导纳Y（单位dBs）可以表示为：

Y=V₁-V₂-34   （3）

矢量网络分析仪一端口连接到校准装置的输入端，二端口连接电流探头的输出端，校准装置的输出端连接50Ω宽频带负载。测量散射参数S₂₁，那么传输导纳公式（3）可以变为：

Y=-S₂₁-34   （4）

用公式（4）获得的传输导纳Y修正电流探头测试数据，获得相线、中线和共模干扰电流频谱。

采用软件分离程序，获得差模干扰电流。不能直接用公式（1）加公式（2），因为公式（1）、（2）是矢量，直接相加忽略了相位的影响。假设共模电流和差模电流的相位差为θ，那么对式（1）、式（2）左右两边进行平方，满足：

|I_L|²=|I_CM|²+|I_DM|²+2I_CM·I_DMcosθ   （5）

|I_N|²=|I_CM|²+|I_DM|²-2I_CM·I_DMcosθ   （6）

上述式（5）和式（6）等号左右两边相加，消去相位的影响，得到差模干扰电流频谱幅值：

$I_{\mathrm{DM}}=\frac{1}{2}\sqrt{{\left|I_L\right|}^2+{\left|I_N\right|}^2-2{\left|I_{\mathrm{CM}}\right|}^2}---\left(7\right)$

由式（7），可以在各个频点获得差模干扰电流的幅值。

干扰电压为干扰电流在50Ω阻抗上的电压降。干扰电流和干扰电压满足下列关系：

U_L=50×I_L   （8）

U_N=50×I_N   （9）

U_CM=50×I_CM   （10）

U_DM=50×I_DM   （11）

上述U_L、U_N、U_CM和U_DM即为采用本发明获得的相线、中线、差模和共模干扰电压。

本发明与现有技术相比的优点与效果在于：

本发明的技术方案是通过不同的钳夹方式，可以快速测量线上总的传导干扰噪声和共模/差模噪声。根据共模/差模噪声和各线上干扰噪声关系，通过软件分离程序可以快速有效地计算出差模干扰噪声，进而得到各线上的干扰噪声，并实现共模/差模噪声的分离。

附图说明：

图1是本发明的流程图

图2是本发明软件分离程序的流程图

图3是本发明电流探头测量布置和干扰电流分布图

图4是本发明电流探头校准原理图

图5是本发明使用矢量网络分析仪电流探头校准连接图

图6是本发明商用开关电源相线与中线在150kHz～1MHz频带的干扰电压测试结果

图7是本发明商用开关电源相线与中线在1MHz～30MHz频带的干扰电压测试结果

图8是本发明商用开关电源共模与差模在150kHz～1MHz频带的干扰电压测试结果

图9是本发明商用开关电源共模与差模在1MHz～30MHz频带的干扰电压测试结果

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：本发明测量步骤如下：

一、准备接入测量环境，连接测量设备：

本实施例准备的装置包括：商用开关电源3一个，电流探头5（北京大泽公司生产，型号ZN23101）一个，电流探头校准装置6（北京大泽公司生产，型号ZN23302）一个，线性阻抗稳定网络1（北京大泽公司生产，型号ZN3770A）一台，频谱仪4（美国安捷伦公司生产，型号N9000A）一台，矢量网络分析仪2（美国安捷伦公司生产，型号E5071C）一台，标准校准件（美国安捷伦公司，型号85032E）一套，特性阻抗50Ω同轴线若干，计算机一台。

使用线性阻抗稳定网络1隔绝外网的干扰，电流探头5连接频谱仪4测量待测设备3产生的干扰频谱。

二、测量开关电源相线、中线和共模干扰电流频谱：将商用开关电源3，接入测量环境。频谱仪4的测量频带分别设为150kHz～1MHz和1MHz～30MHz，测试点为1001个。这里设置两个测量频带，减少频谱仪4的测量频率下限和样点数量的影响，这样选取测量频带可以避免零点的影响，利于数据观察。

在这两个测量频带下，改变电流探头5的钳夹方式，获得不同噪声频谱。当电流探头5钳夹住相线（中线）时，频谱仪4接收到的数据为相线（中线）的噪声频谱；当电流探头5同时钳夹住相线和中线时，频谱仪4接收到的数据为两者之间的共模噪声频谱。

三、校准电流探头：将矢量网络分析仪2的扫频频带同样设置为150kHz～1MHz和1MHz～30MHz两种情况，样点选取均为1001个点。在这两个频带下，校准电流探头5。首先使用标准校准件，校准矢量网络分析仪2的一端口和二端口。将电流探头5放入校准装置6中，矢量网络分析仪2的一端口、二端口分别与校准装置6的输入端、电流探头5的输出端连接，校准装置6的输出端接50Ω匹配负载7。在矢量网络分析仪2中，获得S₂₁的特性曲线。将S₂₁的特性曲线数据代入式（4），得到电流探头的传输导纳，即代入Y=-S₂₁-34。

修正电流探头测量数据：上述步骤二获得的传输导纳Y修正电流探头测试数据，获得相线中线和共模干扰电流频谱，即

和

四、软件分离出差模干扰电流

上述步骤三得到的干扰电流代入式（7），得到差模干扰电流即代入 $I_{\mathrm{DM}}=\frac{1}{2}\sqrt{{\left|I_L\right|}^2+{\left|I_N\right|}^2-2{\left|I_{\mathrm{CM}}\right|}^2}.$

五、获得各线干扰电压和共模、差模干扰电压：上述步骤（3）和步骤（4）得到的干扰电流

和

分别代入式（8）、（9）、（10）和（11），得到干扰电压频谱U_L、U_N、U_CM和U_DM。

经过测量及软件分离处理，得到商用开关电源的相线干扰电压和中线干扰电压、共模干扰电压和差模干扰电压在150kHz～1MHz及1MHz～30MHz两个频带内的频谱。

Claims (2)

1.一种传导性共模/差模噪声分离方法，其实现步骤如下：

步骤一：准备接入测试环境，连接测试设备；

步骤二：测量待测设备相线、中线和共模干扰电流频谱，使用电流探头和频谱仪测量选定测量频率范围内的干扰频谱，包括相线上传导干扰、中线上传导干扰和共模传导干扰；

步骤三：校准步骤二中的频谱数据，采用矢量网络分析仪方法校准电流探头的传输导纳Y_t，代入下式，得到相线干扰电流频谱

中线干扰电流频谱

和共模干扰频谱

I=V+Y_t

步骤四、软件分离差模干扰电流频谱，将第二步得到的频谱数据

和

代入下式，计算得到差模干扰电流频谱：

$\left|{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{DM}}\right|=\frac{1}{2}\sqrt{{\left|{\stackrel{\→}{I}}_L\right|}^2+{\left|{\stackrel{\→}{I}}_N\right|}^2-2{\left|{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{CM}}\right|}^2}$

步骤五、所测干扰电压即为电流在50Ω负载上的电压降，因此干扰电压可以通过下式获得：U=50×I。

2.根据权利要求1所述的一种传导性共模/差模噪声分离方法，其特征在于：所述软件分离是通过程序读取电流探头测得数据和背景噪声数据以及矢量网络分析仪的频谱；将电流测得探头数据和背景噪声数据的单位由dBuV转化为uV；将电流测得探头数据减去背景噪声数据，得到L线、N线和共模电压；并且读取矢量网络分析仪S参量S₂₁在测量频带数据；修正传输导纳Y；得到L线、N线和共模电流|I_L|、|I_N|和|I_CM|。计算分离差模电流并输出。

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