传导发射与传导敏感度

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1、1 传导发射与传导敏感度 本章要研究发射的产生及其沿着产品的交流电源线传导出产品的原理。因为产品安 装在市电中，所以管理机构规定强制性传导发射限值。一个设备的电力分配系统是一个 庞大的网络，联接着各种电能输出装置，这个设备的其他电子系统通过这些输出装置获 取交流电。因此形成了一个巨大的“天线”系统，使得这些传导发射能很有效的辐射出去， 对该设备中的其余电子系统形成干扰。因此，传导发射能够引起传导发射，从而引起干 扰。通常来说，减少传导发射比减少辐射发射稍微简单一些，因为只需要控制这些发射 的一条路径，即电源线。然而，一个产品不能符合传导发射限值时，却能符合辐射发射 的限值，意识到这一点很重要。

2、因此，控制产品的传导发射和控制辐射发射同等重要。 电子产品生产商还意识到仅仅满足规定的传导发射和辐射发射限值不能达到理想的 电磁兼容状态。一个产品必须能够抵抗来自电网的干扰，确保产品能正常运行。譬如， 闪电会袭击给设备供电的电能传输线这可能产生一系列的干扰,市电的完全中断(所有产 品都不能承受)， 由于电力系统开关试图闭合而导致瞬间电能中断（产品能承受住，数 据和功能不丢失)。传导发射限值是为了控制存在于商业电网中且沿商业电网传播的噪 声电流引起的辐射发射的干扰电压而制定的。通常这些噪声电流很小，不会通过设备的 电源线传入设备而产生直接的干扰。这种干扰反映了一个传导敏感度问题，生产厂商意 识到

3、并且努力让产品能够承受这种干扰。 6.1 传导发射的测量 理解传导发射限值的测量过程很重要，已经在2.1.4中讨论过。FCC和CISPR 22 要求 传导发射从150K30MHz(见图2.1)。进行一致性测试时，在电网和被测设备交流电源线之 间插入线性阻抗稳定网络(LISN)。图6.1是一个典型的测试 结构图。产品的交流电源线接 LISN的输入。LISN的输出接市电输出。频谱分析仪与LISN相连，用来测量产品的传导发 射。 图 6.1 在产品的传导发射测量中线性阻抗稳定网络(LISN)的使用举例 2 6.1.1 线性阻抗稳定网络(LISN) 传导发射测试的目的是为测量存在于产品交流电源线中的噪

4、声电流 。这些发射可以 简单的使用电流探头测量。然而，使用电流探头会随着测试场地不同而导致测量的数据 不同，使得这种测量方法不可行。在整个测量频段范围内， 从不同建筑物、不同墙上插 头看入的阻抗会不同。阻抗值不同，通过电源线传导出去的噪声数量也不同。为了保持 各个实验室的一致性，不同实验室从产品交流电源线看过去的阻抗必须稳定 。这就是 LISN的第一个作用在产品电源线整个传导测试频段中变现为恒阻抗。同样，在电网 中产生的噪声数量也随地点的不同而不同。“外部”噪音耦合到产品交流电源线中，除 非它被以某种方式被除掉，它将增加被测量的传导发射。我们希望只测量由该产品产生 的传导发射，所以LISN的第

5、二个作用是阻断不是由被测量产品产生的传导发射以便只有 该产品产生的传导发射被测量。因此LISN的两个作用是(1)在相线和地线(绿线)之间、中 线和地线之间提供恒阻抗(50)；(2)阻止电网中外部传导噪音干扰测量。要达到这两个目 的需要传导干扰测量的频率范围在150 kHz30 MHz。另外一个对于LISN的细微但说不清 的必要条件是它能通过60Hz(50Hz)的功率。 图6.2是为传导发射测量特制的LISN。市电介入侧，在相线和绿线之间、中线和绿线 之间1F电容的作用是去除电网上的外部噪声，阻止噪声窜入测量设备中污染测量数据。 同样，50 H电感的作用是阻断噪声。另外一个0.1F电容是隔直电容

6、，防止测试接 收机过载。计算在FCC规定限制的下限频率150KHz和上限频率30MHz的阻抗是有作用的。 计算得到阻抗为 元件 Z150kHz Z30MHz 50H 47.1 9424.8 0.1F 10.61 0.053 1 F 1.06 0.0053 图6.2 LISN电路举例说明 3 因此电容在测试频段内是低阻抗，电感呈现为大阻抗。50电阻移去时，1k电阻 为0.1F提供放电通道。在1k电阻旁边并联50电阻，一个50电阻是接收机(频谱分 析仪)的输入阻抗，另一个是保证相线和地线之间、中线与地线之间阻抗恒定在50的一 个50虚拟电阻。测量电源标记为和，分别是相线和电线之间、中线和地线之间的

7、 p V N V 电压。两个测量值必须在传导发射限值的频段内测量并且都必须小于各频率下的特定限 值。现在我们明白为什么传导发射用电压来规定，而事实上我们对传导发射电流感兴趣。 相线电流和中线电流与测量电压之间的关系为 (6.1a)50 pP VI (6.1b)50 NN VI 其中，假设在测量频段范围内，LISN的电容短路，电感开路。因此测量电压直接和 通过相线、中线存在于产品中的噪声电流有关。 LISN中的电容(电感)在传导发射测量频段内是短路(开路)电路。如图6.3所示，LISN 电路的相线和绿线、中线和绿线见的等效阻抗是50。电源频率为60Hz时，电感阻抗为 18.8 m，1F电容阻抗为

8、2.7k。因此，在电源频率为60Hz时，LISN基本上没有作用， 只能给产品供电。 最后有必要指出，一致性设计的目的是抑制规定频率范围内的干扰电流通过 50LISN流入。规定频率范围以外的干扰没有要求必须符合干扰限值，但是对于某些产 品也可能很重要，为了生产合格的产品，有时候也需要考虑。通过LISN测量到的任何超 过限值的电流都会导致整个产品不能通过测试。一个典型的例子是电源线上存在系统晶 振引起的时钟信号谐波。假设系统时钟为10MHz，如果该信号耦合到交流电源线上，就 会在测量频率范围内出现基波和谐波信号(10MHz，20MHz，30MHz)。虽然电源线不是用 来承载这些电流的，但是如果这些

9、电流存在于电源线中，就会通过LISN测量到，导致产 品不符合规定限值。 图6.3 在产品使用频率范围内的LISN等效电路 4 6.1.2 共模电流和差模电流增益 如图6.3所示，相线和绿线之间，中线和绿线之间的LISN代表50的电阻(在传导发射 规定限值内的理想特性)，使分析传导发射变得简单。需要符合限值的测量电压就是50 电阻上的电压，记作为和。根据式(6.1),这些电压和发射电流满足欧姆定律。如图 p V N V 6.4所示，与辐射发射的情况一样，将电流分解为从相线流到中线的差模电流和从相线、 中线流回到绿线的共模电流： 解得： 被测电压为 认识到与辐射发射相反，在传导发射中共模电流与差模

10、电流的数量级一样或超过差 模电流是很重要的！ 图6.4 差模电流和共模电流对被测传导发射的贡献说明 下面用实验结果证明这一重要事实。因此，不应该假设共模电流对传导发射没有影 响。记住传导发射符合性测设中的差模电流不是60Hz电源线上的工作电流也是很重要的。 观察到差模电流从一个50电阻流入，从另一个50电阻流出；共模电流同时从50电 5 阻流入。因此，每相电流的贡献是加入到中和从中减去。因此，当共模、差电流的 p V N V 幅度相等时，相线和中线上的电压不同： 或者 实际上，在电源线电流流入LISN之前所有产品都在通过噪声电流的电路中使用电源 滤波器。电源滤波器包括既能抑制差模电流、又能抑制

11、共模电流的器件。把总电流分解 为共模、差模电流是为了便于滤波器元件的选取，只有其中的一种元件是设计电源滤波 器的关键，能有效抑制产品的传导发射，使产品符合规定限值。 两种常见阻断共模电流通路的方法如图6.5所示。很多电子产品在绿线入口处使用电 感，如图6.5(a)所示。电感在传导发射规定限值的频段内对共模电流而言为高阻抗，但 是故障电流的通路仍然存在以提供绿线的雷击保护。出于安全原因，不希望在绿线上焊 接电感，因为焊点有可能断裂，导致绿线断开而存在潜在的雷击危害。为了避免这种情 况发生，把绿线在铁氧体磁环上绕几圈构成电感(该电感在传导发射限值频率范围内具有 核实的特性)。这种绿线上电感的典型值

12、是0.5mH，在规定限值的较低频率上(150kHz)阻 抗大约为471。有人可能想电感在传导发射限值的频率上限30MHz时的阻抗会增加，但 实际上不是真的。如第5章所讨论的，磁环线圈上的分布电容会导致其高频性能变差。 图6.5 减小共模电流的传导发射的方法 6 (a)绿线的电感 (b)两线产品 阻断共模电流的另一种方法是设计所谓的“两线产品”。电源线只包含相线和中线， 没有地线。两线产品存在潜在的雷击危险，因为电源供电系统的中线直接与大地相连(在 电源线入口处)，相线与地线相比很“火”。由于不能保证用户总是把电源线插头插入插 座正确的插孔中，所以不可能把中线与机壳相连。如果用户把产品电源插头插

13、入电源插 座错误的插孔中，机壳相对于大地很“火”，这存在一个很明显的雷击危险。两线产品 避免这个问题的办法是在产品电源入口处使用60Hz的变压器，如图6.5(b)所示。机壳联接 变压器次级，不直接与相线或中线相连。这种设计去掉了绿线，通常认为能消除共模电 流。但由于图6.5(b)所示的原因，这不一定是正确的。产品机壳与测试场地金属墙面之间 的杂散电容提供了返回LISN的等效绿线(要求与测试场地的接地面相连)。产品电子电路与 产品机架之间任何共模电压都会驱动共模电流流经这条通路。变压器初级与次级之间的 杂散电容也存在。 6.2 电源滤波器 实际上如果不在产品电源线的出口处插入某种形式的电源滤波器

14、，现在没有任何电 子产品能符合传导发射要求。一些产品可能看上去没有包含滤波器，但实际上存在滤波 器。例如，双线产品或当使用线性电源时，产品在电源入口处使用了60Hz的大变压器。 变压器的正确设计能提供内在的滤波作用，因此，在某些情况下，可能需要一种“无意” 滤波器。本节主要研究无意电源滤波器的设计。 6.2.1 滤波器的基本特性 这里从滤波器性能开始讨论。电子工程中的所有领域都使用滤波器，如通信，信号 传输和自动控制。关于这种类型的滤波器的设计资料很丰富。读者要注意的是用来减小 传导发射的电源滤波器很少利用这些传统滤波器的设计思想来设计。不过，对传统滤波 器的基本原理的讨论有助于发现所有滤波器

15、通用的基本原理。 滤波器典型特性指标是插入损耗IL，一般用dB来表示。考虑如图6.6(a)所示的给负载 提供信号的问题。为了防止源的某些频率分量到达负载，在源和负载之间插入一个滤波 器，如图6.6(b)所示。未插入滤波器时负载电压用表示，插入滤波器后负载电压表示 为。滤波器的插入损耗定义为： 7 图6.6 滤波器插入损耗的定义 (a)无滤波器时的负载电压 (b)插入滤波器的负载电压 注意该等式中的电压没有用符号()表示，因此只表示电压幅度。由于滤波器的插入， 插入损耗会减小某一频率上的负载电压。通带插入损耗表现为频率的函数。 如图6.7所示为一些简单的滤波器，可以用第5章中所讨论的技术来分析。

16、例如，确 定如图6.7(a)所示低通滤波器的插入损耗。无滤波器时的负载电压可以很容易地由图 6.6(a)得到： 插入滤波器后的负载电压为 图6.7 四种简单滤波器 插入损耗是式(6.8)与式(6.9)的比： 8 其中， 是电路的时间常数。插入损耗曲线从0dB到点的3dB，以后以20dB/10倍 频的速率增加。因此低通滤波器能通过直流到的频率分量，其他频率分量衰减很快。 3dB点以上频率的插入损耗的表达式简化为： 其他滤波器的分析类似。 上述例子说明了重要一点：某个滤波器的插入损耗取决于源和负载的阻抗，因此不 能独立于终端阻抗而声明。大多数滤波器厂商都提供滤波器插入损耗的频响曲线，由于 插入损耗取决于源和负载的阻抗，那么这些指标中如何假设源和负载的阻抗值呢？答案 相当明显：假定RS =RL=50 !这里引出了另一个