專利名稱：基于散射參數(shù)的emi濾波器性能測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是利用散射參數(shù)對于傳導(dǎo)性電磁干擾濾波器性能進(jìn)行測試與 改進(jìn)，為研究電力電子設(shè)備的傳導(dǎo)性電磁干擾濾波器的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，為 傳導(dǎo)性電磁干擾噪聲的抑制即EMI濾波器的性能測試提供方法，該發(fā)明屬于電 磁兼容設(shè)備設(shè)計以及濾波器設(shè)計的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
抑制EMI噪聲的有效方法是設(shè)計EMI濾波器對于噪聲進(jìn)行抑制。目前對于 EMI濾波器的設(shè)計主要采用的有插入損耗法，即插入EMI濾波器后噪聲干擾的衰 減程度， 一般釆用電壓幅值的比值來計算表示插入損耗，其值越大，表示濾波 器抑制噪聲干擾的能力越強。但是在EMI濾波器設(shè)計過程中，必須考慮的是能 否有效抑制噪聲信號以及可以預(yù)測由于濾波器構(gòu)造的不對稱性或者由于電網(wǎng)絡(luò) 中的模態(tài)傳導(dǎo)阻抗而在濾波器中引起的模態(tài)轉(zhuǎn)換。濾波器的這些性能直接關(guān)系 到對于噪聲信號抑制效果的優(yōu)劣。

發(fā)明內(nèi)容
散射參數(shù)是通過端口上的入射波和反射波來描述網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部性質(zhì)的一種參數(shù) 矩陣，通常也稱為波參數(shù)。采用散射參數(shù)對于濾波器性能進(jìn)行測試有如下優(yōu)點 1可以精確的計算在真實電路中濾波器對于共模/差模噪聲信號的衰減作用。
2可以預(yù)測由于濾波器構(gòu)造不對稱或者由于電網(wǎng)絡(luò)中的模態(tài)傳導(dǎo)阻抗而引 起的模態(tài)轉(zhuǎn)換。
3采用散射參數(shù)設(shè)計濾波器可以省去繁瑣的濾波器選擇過程，其選擇的過程可以通過軟件快速選擇而達(dá)到縮減的過程。
本發(fā)明利用散射參數(shù)方法對于濾波器特性進(jìn)行測試，測試電路由線性阻抗
穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和負(fù)載(EUT)構(gòu)成。克服了 現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷。本發(fā)明的特點是1、利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測定電路 噪聲的散射參數(shù)。2、測量濾波器散射參數(shù)特性，并與電路噪聲的散射參數(shù)結(jié)合 對于濾波器性能進(jìn)行分析。3、利用經(jīng)由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)隔離電網(wǎng)噪聲的電力 線路，將其通過濾波器輸入到開關(guān)電源及負(fù)載當(dāng)中，構(gòu)成完整的電源回路，經(jīng) 過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)進(jìn)行噪聲的提取，并且建立相應(yīng)的電路模型和模 態(tài)摸型，從而對于濾波器的性能進(jìn)行改進(jìn)。
本發(fā)明提出的基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測試方法，其測量原理如圖l 所示。對于濾波器性能的測定，可以通過散射參數(shù)建立其電路模型與模態(tài)模型， 并與相因的負(fù)載模型結(jié)合進(jìn)行測試。
根據(jù)傳播路徑的不同，傳導(dǎo)性電磁干擾可以分為差模(DM)干擾和共模(CM) 干擾。差模干擾是指電源的相線與中線所構(gòu)成的回路中的干擾信號，而共模干
擾是指由電源的相線或中線與地線所構(gòu)成回路中的干擾。
根據(jù)散射參數(shù)的性質(zhì)，可將濾波器等效為一四端口網(wǎng)絡(luò)，采用散射參數(shù)進(jìn) 行測試時，需要四個方程來表征八個波變量之間的關(guān)系，在這四個方程中共有
十六個S參數(shù)，其中& 為反射系數(shù)，S,為傳輸系數(shù)(ri^n)。
、
*S\l aSi2 aSi3 Sl4
5^21 *S*22 iS^23 5^24
*S^31 &2 5^33 *S^4
、iS" 《42 5^43 jS^4人"
4乂
(1)
本發(fā)明基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測試方法，采用散射參數(shù)設(shè)計濾波 器，其步驟如下
h首先，建立濾波器的電路模型和模態(tài)模型，僅對于濾波器，采用散射參數(shù)法，測量出其電路的散射參數(shù)，從而建立起濾波器的電路模型，其次，采用 矩陣變換得到濾波器的模態(tài)模型。
2:建立負(fù)載的電路模型和模態(tài)模型，首先，將負(fù)載的噪聲電路等效成為一 個由三個阻抗和兩個電壓源組成的一個二端口網(wǎng)絡(luò)電路模型，(見圖2)采用該
電路的散射參數(shù)，就可以確定電路阻抗Z,、 ^2和^3。兩個電壓源則通過測量
網(wǎng)絡(luò)的端口電壓和求得的電路阻抗Z,、 ^2和^3共同確定，從而得到負(fù)載的電
路模型。采用類似的方法，也可以得到負(fù)載的模態(tài)模型。即將負(fù)載模態(tài)等效成
為一個由共模阻抗z^、差模阻抗z，、傳導(dǎo)阻抗z^和兩個噪聲電壓源r"^、
「"皿纟且成的二端口網(wǎng)^(見圖3)。并利用模態(tài)模型和電路模型^間的對應(yīng)關(guān)系，
求得模態(tài)模型中的參數(shù)。
3:根據(jù)圖4對于建立好的濾波器和負(fù)載的模型仿真計算，首先仿真其電路
模型，采用濾波器和負(fù)載的電路模型。通過仿真得到電路的端口電壓K和K以
及整個電路的散射參數(shù)。
4:通過圖5對于整個電路模態(tài)模型仿真，采用濾波器和負(fù)載的模態(tài)模型，
得到電路的共模電壓「^和差模電壓f^M。
5:為了確定所建立的模型和仿真電路的有效性，需要測試和建模兩種電子 裝置并且還要預(yù)測當(dāng)該裝置與濾波器相連接的時候，其內(nèi)部的傳導(dǎo)性干擾。首 先采用人工測試裝置，該裝置包含三個復(fù)雜阻抗和兩個內(nèi)部電壓源(如圖6)。
通過建立的電路可以測試建立模態(tài)的方法的正確性。人工測試裝置的電壓源「w ^F^《^一 + J，W + ,雙方支AI^一 +帛^器的射頻發(fā)生裝置來實現(xiàn)，其頻率范圍為從50kHz到35MHz。當(dāng)電路建立好之后，通過計算和實際測量分別的到 電路的參數(shù)，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其有很好的一致性。
6:當(dāng)人工電路器件的電路模型和模態(tài)模型都已知后，可以將其應(yīng)用于預(yù)測 在不同環(huán)境下，傳導(dǎo)干擾經(jīng)過濾波器濾波之后的值。搭建電路見圖7。電路的端
口電壓]P^與J/^通過計算和測量分別得到兩組相應(yīng)數(shù)值，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測 定噪聲信號的幅值與頻率。經(jīng)過計算模擬和測試模擬可以看出，電路計算建模 與實際測量所得相一致。
7:將所測得的電路噪聲與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)相比較。通過濾波器后的噪聲將要衰減，
以確保整個電路系統(tǒng)的噪聲能夠達(dá)到國際上制定電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。
8:為了檢測建模方法對于真實電路的可適應(yīng)性，采用高頻信號發(fā)生器傳送 4MHz的信號給電路。首先通過測試得到噪聲源的電路模型和模態(tài)模型；其次測 試所設(shè)想的濾波器的散射參數(shù)，并建立其模態(tài)模型；然后測試出電路模型和模
態(tài)模型的端口電壓|/;、 J/, 「ew、 「，；最后將測得的端口電壓與計算得到的 端口電壓相比較，看是否一致，并與當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)相比較，看能否符合國際標(biāo) 準(zhǔn)以驗證濾波器設(shè)計的成功性。
本發(fā)明采用的測試方法，可以針對各類電力電子設(shè)備噪聲所設(shè)計的濾波器 性能進(jìn)行測試。采用散射參數(shù)測試濾波器性能，操作簡單并且測試準(zhǔn)確。通過 該測試方法，可以對濾波器性能進(jìn)行測試，進(jìn)一步為EMI濾波器的設(shè)計提供理 論依據(jù)。


圖1基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測試方法測試原理2負(fù)載的電路模型，其中Z,、 Z2和Zs為電路中阻抗，；、F^為電路
中小信號源。
圖3負(fù)載的模態(tài)模型
圖4有濾波器的負(fù)載系統(tǒng)的電路仿真
圖5有濾波器的負(fù)載系統(tǒng)模態(tài)仿真
圖6人工測試裝置，其中Z;由18 Q電阻，1. 5nF電容和50 Q信號源阻抗Zs/
組成；Z;由i8Q電阻，470nH電感和50Q信號源阻抗Z^組成；2^由180電
阻和6. 8nF電容組成
圖7帶有濾波器的電路測試
圖8濾波器電路模型，其中，Z。為50Q
圖9濾波器的模態(tài)模型，其中，Zoca^25Q， Z。DM = 100Q 圖10負(fù)載模型散射參數(shù)獲取方法
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實施例
這里以圖4、 5的含有濾波器的電路為例說明本測試方法的具體實施步驟， 圖4為系統(tǒng)的電路仿真，而圖5為系統(tǒng)的模態(tài)仿真。目前國際上規(guī)定的傳導(dǎo)性 電磁干擾測量設(shè)備有線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN (Line Impedance Stabilization Network,簡稱LISN)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
線性阻抗網(wǎng)絡(luò)又稱作人工電源網(wǎng)絡(luò)或電源阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，是重要的電磁兼 容測試設(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)能夠有效屏蔽來自外部電網(wǎng)的高頻干擾或阻止負(fù)載產(chǎn)生的
8高頻干擾通過電源插座傳入外部電網(wǎng)，同時又不影響負(fù)載正常工作下所提供的工頻電流(如國內(nèi)50HZ電流)，并在射頻范圍內(nèi)向被測設(shè)備(即圖4中的負(fù)載電
路)提供一個穩(wěn)定的50Q的阻抗，然后將干擾電壓傳輸?shù)绞噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀上。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種可以測量系統(tǒng)散射參數(shù)的儀器，該儀器不僅可以顯示所測量到的幅值，還可以顯示測量所得的相位，可以更加全面的分析電路噪聲濾波器的性能。
具體測試方法，將交流電源直接接入到線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)L、 N，經(jīng)過現(xiàn)行阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)后輸入到濾波器及負(fù)載中，構(gòu)成一整條電源回路；經(jīng)過現(xiàn)行阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)進(jìn)行噪聲的提取，輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對于噪聲進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與所計算得到的理想結(jié)果相比較，觀察兩者是否一致。
首先建立濾波器電路模型， 一個濾波器可以設(shè)計成為一個四端口網(wǎng)絡(luò)，如
圖8所示，其中，L-G端口的輸入、輸出電壓和電流分別采用「"、 ^。、 7"、 L
來表示，同理，N-G端口的輸入、輸出電壓和電流分別采用「孤、「o"、 7'"、 7訓(xùn)來表示，則該電路的S參數(shù)模型為
=[小
就細(xì)《,，飾麻，腳請、r腿、/脂、/扁M模和差模的輸入電壓與電流，KeM、 F。DM、 /。(f /e^為共模和差模的輸出電
壓與電流。
該模態(tài)網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)模型為(2) (3)兩式可以由矩陣方程(4)進(jìn)行轉(zhuǎn)換
Ls》[小[一r (4)
其中，矩陣[A]、 [B]為:
1 1 0 (T1 一l 0 00 0 110 0 1-1
第三，在濾波器電路和模態(tài)模型都建立好之后，對于負(fù)載建立其電路和模態(tài)模型。其電路模型等效為三個電阻與兩個電壓源的電路，采用圖10的測試方
法獲得負(fù)載電路的散射參數(shù)，通過散射參數(shù)求得電路摸型中阻抗Z,、 Z2和Zs的
值以及電路中電壓源的值如式(5) (6):
2& (5-3)
r Z,(Z2 + Z3)L + Z,Z2/w(6—d
Z3 =
10<formula>formula see original document page 11</formula(6-2)
其中，Z。為測試系統(tǒng)的反射阻抗，通常取50Q。 K、 K、厶、」&分別
為端口的火線電壓、零線電壓、火線電流、零線電流。
第四，建立負(fù)載電路的模態(tài)模型，如圖3，該電路中的參數(shù)可以通過已有的電路摸型參數(shù)求得如式(7) (8):<formula>formula see original document page 11</formula>第五，對于濾波器和負(fù)載的電路仿真，根據(jù)l， 2兩步所建立的濾波器和負(fù)載的電路模型，對于已經(jīng)連接好的電力線網(wǎng)絡(luò)、濾波器和負(fù)載阻抗進(jìn)行模擬(見圖4)。根據(jù)仿真電路，可以建立整個電力線路網(wǎng)絡(luò)的電路模型，從而對于線路
網(wǎng)絡(luò)中的電磁干擾噪聲進(jìn)行模擬，得到電路的火線-地線電壓J^和零線-地線電財r
第六，對于濾波器和負(fù)載的模態(tài)仿真，仿照步驟3，對于連接好的電路進(jìn)行模態(tài)仿真(如圖5)，綜合了濾波器和負(fù)載的模態(tài)模型的電路模態(tài)模型經(jīng)仿真可
以得到電路的共模電壓)/^和差模電壓F^，進(jìn)而對于干擾信號進(jìn)行定性和定量診斷，從診斷結(jié)果可以看出因為共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號時，對于濾波器影響的大小。
第七，采用一個人工測試裝置(圖6)和一個高頻信號發(fā)生器對于模型的有效性進(jìn)行檢測。其中，人工測試裝置由阻抗Z;(包含一個18Q電阻， 一個1.5nF
電容和一個50Q信號源阻抗Z《)，Z'2 (包含一個18Q電阻， 一個470nH電感
和一個50Q信號源阻抗Z^)和Z;(包含一個18Q電阻， 一個6.8nF電容)組
成；高頻信號發(fā)生器給予電路一個4MHz的信號。將測試結(jié)果與通過計算所得理想結(jié)果相比較，可以看出兩者結(jié)果吻合較好。
通過上述實驗可見，電路模型和模態(tài)模型是本實施例濾波器性能測量的主要因素，而模型中電路參數(shù)值的選取是本實施例電路的共模噪聲的主要影響因素。因此，在本電路中可以通過修改電路中的參數(shù)來改善濾波器消除信號噪聲的效果。對于其他相似的濾波器而言，可以用該發(fā)明的方法研究其性能的好壞，從而為減小電路的傳導(dǎo)性噪聲以及濾波器的設(shè)計提供依據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測試方法，采用散射參數(shù)設(shè)計濾波器，其步驟如下A、建立濾波器的電路模型和模態(tài)模型僅對于濾波器，采用散射參數(shù)法，測量出其電路的散射參數(shù)，從而建立起濾波器的電路模型，其次，采用矩陣變換得到濾波器的模態(tài)模型；B、建立負(fù)載的電路模型和模態(tài)模型首先，將負(fù)載的噪聲電路等效成為一個由三個阻抗和兩個電壓源組成的一個二端口網(wǎng)絡(luò)電路模型，采用該電路的散射參數(shù)確定電路阻抗(Z1、Z2、Z3)；兩個電壓源則通過測量網(wǎng)絡(luò)的端口電壓和求得的電路阻抗(Z1、Z2、Z3)共同確定，從而得到負(fù)載的電路模型；將負(fù)載模態(tài)等效成為一個由共模阻抗ZCM、差模阻抗ZDM、傳導(dǎo)阻抗ZTM和兩個噪聲電壓源(VnCM、VnDM)組成的二端口網(wǎng)絡(luò)，利用模態(tài)模型和電路模型之間的對應(yīng)關(guān)系，求得模態(tài)模型中的參數(shù)；C、對于建立好的濾波器和負(fù)載的模型仿真計算，首先仿真其電路模型，采用濾波器和負(fù)載的電路模型；通過仿真得到電路的端口電壓(VL、VN)以及整個電路的散射參數(shù)；D、對于整個電路模態(tài)模型仿真，采用濾波器和負(fù)載的模態(tài)模型，得到電路的共模電壓VCM和差模電壓VDM；E、測試和建模兩種電子裝置并且預(yù)測當(dāng)該裝置與濾波器相連接的時候，其內(nèi)部的傳導(dǎo)性干擾首先采用人工測試裝置，該裝置包含三個復(fù)雜阻抗和兩個內(nèi)部電壓源；通過建立的電路測試建立模態(tài)的方法的正確性，人工測試裝置的電壓源V’n1和V’nn采用一個含有兩個等效放大器和一個移相器的射頻發(fā)生裝置來實現(xiàn)，其頻率范圍為從50kHz到35MHz；當(dāng)電路建立好之后，通過計算和實際測量分別的到電路的參數(shù)，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對比；F、當(dāng)人工電路器件的電路模型和模態(tài)模型都已知后，將其應(yīng)用于預(yù)測在不同環(huán)境下傳導(dǎo)干擾經(jīng)過濾波器濾波之后的值；搭建電路，電路的端口電壓VL與VN通過計算和測量分別得到兩組相應(yīng)數(shù)值，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測定噪聲信號的幅值與頻率；G、將所測得的電路噪聲與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)相比較，通過濾波器后的噪聲將要衰減，以確保整個電路系統(tǒng)的噪聲能夠達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求；H、采用高頻信號發(fā)生器傳送4MHz的信號給電路，檢測建模方法對于真實電路的可適應(yīng)性；首先通過測試得到噪聲源的電路模型和模態(tài)模型；其次測試所設(shè)想的濾波器的散射參數(shù)，并建立其模態(tài)模型；然后測試出電路模型和模態(tài)模型的端口電壓(VL、VN、VCM、VDM)；最后將測得的端口電壓與計算得到的端口電壓相比較，檢驗是否一致，并與當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)相比較，檢驗?zāi)芊穹蠂H標(biāo)準(zhǔn)以驗證濾波器設(shè)計的成功性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于散射參數(shù)的EMI濾波器性能測試方法。本發(fā)明對濾波器、負(fù)載以及所組成的電路進(jìn)行散射參數(shù)建模，通過測量散射參數(shù)可以變換得到電路特性參數(shù)。本發(fā)明實際測量中只需用到網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀和被測件，無須使用其它硬件，有效避免了額外的硬件誤差。其次，本發(fā)明對于濾波器和負(fù)載不僅建立其電路模型，還建立其模態(tài)模型，充分考慮了噪聲信號在電路中會發(fā)生模態(tài)改變這一情況。同時，本發(fā)明同時測量濾波器的幅頻特性和相頻特性，以便從幅值和相位兩個方面評價濾波器濾除噪聲信號的效果。本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單易行，減少硬件誤差，為精確測量濾波器特性提出了一種有效的解決方案。
文檔編號G01R31/00GK101629980SQ200910034869
公開日2010年1月20日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者東 岳, 李世錦, 董穎華, 陽 趙, 陸婋泉, 偉 顏 申請人:南京師范大學(xué)