開關電源傳導電磁干擾測試方法的研究

張 興，杜明星，魏克新

（天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

開關電源傳導電磁干擾測試方法的研究

張 興，杜明星，魏克新

（天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

在電磁兼容性能的研究中，對設備的電磁干擾進行測試顯得極為重要。開關電源以其體積小、重量輕、效率高等優點，廣泛應用于各種電力電子系統中，但開關電源的小體積、高頻化必將引起大量的噪聲，導致更為嚴重的電磁干擾，故對開關電源進行電磁干擾測試具有實際意義。以開關電源（型號NES-15-12）為例，用電流法和電壓法這兩種典型的傳導電磁干擾干擾測試方法，分別測量出開關電源在空載和帶載下產生的傳導電磁干擾，有利于深入分析在不同工作狀態下其產生的電磁干擾情況，為電磁干擾測試技術的完善提供了有益的補充，具有一定的實際意義。

開關電源；傳導電磁干擾；測試方法

0 引言

隨著電力電子技術的高速發展，設備的電磁兼容問題逐漸受到人們重視，因此電磁干擾測試技術正在不斷完善[1]。電磁干擾分為傳導電磁干擾和輻射電磁干擾。傳導電磁干擾是指存在于連接導線上的干擾，輻射電磁干擾是指存在于空間的電磁能量引起的干擾[2]，本文進行的是傳導性電磁干擾測試。

開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優點，在各種電力電子系統中得到廣泛應用，但開關電源的小體積、高頻化必將引起大量的噪聲，造成嚴重的電磁干擾[3]，因此必須對其進行電磁干擾測試，了解其產生的電磁干擾情況。本文所使用的開關電源屬于交流/直流型（AC/ DC）開關電源，輸入為220V±15%，正常情況下可以輸出穩定的+12V直流電壓。

1 測試原理

此次實驗所需要的測量設備主要有電流探頭（型號F-16A），線性阻抗穩定網絡（LISN，型號NNLK 8129），測試接收機（型號ESL3）和耦合/去耦網絡（CDN，型號M2-50A）。

1.1 電流探頭

電流探頭是根據法拉第原理設計的用來測量導線中干擾電流信號的磁環，本質上是一個變壓器，使用電流探頭能夠測量流經導線的干擾電流大小。流經導線的電流會導致在導線周圍形成電磁通量場，電流探頭是為傳感這個磁通量場的場強而設計的，并把它轉換成相應的電壓，其測量原理圖如圖1所示。

圖1 電流探頭測量原理圖

電流探頭的構造特點使其只對所圍繞導線的電流產生響應，而對外部場進行有效的隔離。使用時，電流探頭夾在LISN和被測設備（EUT）之間的導線上，無需將電流探頭與被測電源線直接接觸，就可將測得的干擾電流轉換成干擾電壓。

1.2 LISN

根據GJB152A-97[4]規定，這里選用50Ω//50μH的V型結構的LISN，其端口圖如圖2所示。LISN對被測電源線均提供3個端口：1端口接供電電源，2端口接EUT電源輸入端口，3端口則被用來接EMI測試接收機的50Ω輸入端或虛擬負載干擾輸出（50Ω終端電阻），作為干擾信號輸出端口。圖3為其內部結構圖。其中，50μH電感和8μF電容構成了一個簡單的低通濾波器，可隔離電源側的高頻干擾；0.25μF電容為隔直電容，可將EUT側產生的高頻干擾傳至接收機中，從而保證接收機測得的干擾確實為EUT產生的；由圖3可知，在用接收機測試EUT側高頻干擾時，其可看作是50Ω電阻并聯在1kΩ電阻兩端，因此，當去掉50Ω電阻時，1kΩ電阻為0.25μF電容提供放電通路，是耦合電流的泄放電阻[5]。

圖2 LISN的端口圖

由上可知，接收機所測得的電壓實際上就是由相線或中線電流流過50Ω電阻所產生的電壓，可得：

圖3 LISN的內部結構圖

式中UL,UN為相線和中線對地線的電壓，IL,IN為相線和中線電流。

1.3 CDN

圖4為CDN內部結構圖。由圖4可知，信號輸入端口輸入的信號通過電容C2（10nF）和R（200Ω）耦合到線纜中，電感L（大于280uH）和電容C1（47nF）構成一個簡單的濾波器[6]，從而使注入的干擾信號與電源端隔離，保證干擾信號只影響被測設備，防止干擾影響其他設備。這里CDN主要用于隔離開關電源與負載，防止負載產生的干擾影響到開關電源，從而保證測量準確性。

圖4 CDN的內部結構圖

2 測試平臺

2.1 電流法

開關電源傳導電磁干擾電流法測試分布如圖5所示。

3 測試結果

下，開關電源產生的傳導電磁干擾在10dBuV～40dBuV之間。比較空載和帶載兩種情況下測試結果能看出，兩種情況下的傳導電磁干擾在測試頻段內變化趨勢大體一致，基本都在20dBuV附近。開關電源在帶載時產生的傳導電磁干擾明顯比空載時的干擾大，差值為1dBuV～6dBuV。

3.2 電壓法

3.2.1 空載

按照圖6連接好電路，斷開C點，即為空載測試，測試頻段為150kHz～30MHz。根據示波器顯示，開關電源輸出+12V，其正常工作，保證測量準確性，電壓法測得的開關電源空載情況下干擾電壓如圖9所示。

圖9 電壓法空載時干擾

3.2.2 帶載

按照圖6連接好電路，接好電子負載，即為帶載測試，測試頻段為150kHz～30MHz。電壓法測得的開關電源帶載情況下干擾電壓如圖10所示。

圖10 電壓法帶載時干擾

由以上測試結果可知，空載情況下，開關電源產生的傳導電磁干擾10dBuV～55dBuV之間；帶載情況下，開關電源產生的傳導電磁干擾10dBuV～60dBuV之間。比較空載和帶載兩種情況下測試結果能看出，兩種情況下的傳導電磁干擾在測試頻段內變化趨勢大體一致，基本集中15dBuV～40dBuV之間，開關電源在帶載時產生的傳導電磁干擾明顯比空載時的干擾大，差值5dBuV～15dBuV。

綜上，在接負載時，由于負載在工作時會產生電磁干擾以及開關電源在不同的輸出狀態下產生的電磁干擾會有所變化，所以帶載時產生的干擾會更大，故在負載和開關電源間放置CDN很有必要，它能隔離CDN兩側的傳導電磁干擾，保證測量準確性。電流法測得的干擾是由電流探頭通過對導線上電流產生的電磁場進行感應而得到的，對某些頻段在感應過程中可能會有感應衰減，另外，導線上也會存在一定的信號衰減，電流探頭在導線上不同位置感應出的干擾可能會有所差異。電壓法測得的干擾是通過LISN內部結構，從實際電路里直接提取出來的，故信號更為準確。電流法的測試結果可能會有些許偏差，但此方法簡單易行，直接將探頭夾在測試線纜上即可，而電壓法必須使用LISN和50Ω終端負載，故方法選取視具體情況而定。

為了使測量結果更為準確，在使用電流探頭時應使其更靠近LISN側[7]，或在LISN與EUT之間的導線上多處測量后取平均值。另外，在連接各設備時，應使連接線盡可能短，且盡可能分散些。這是為了減少干擾信號在導線上的衰減，以及盡可能減少其他處的干擾通過空間電磁場耦合進來。

4 結束語

伴隨著電子技術的迅猛發展，電氣設備在工作時會不可避免地產生較強的電/磁場，這些電磁能量必然會產生不必要的電磁干擾，在電壓和電流快速變化的開關器件里，電磁干擾尤為嚴重。開關電源體積小、重量輕、效率高，廣泛應用于各種電力電子系統中。由本文測試結果可知，開關電源是一個大電磁干擾源，內部干擾情況復雜，在空載和帶載時干擾變化嚴重，不同工作狀態下產生的電磁干擾波動劇烈。所以，必須根據相關標準和規范對不同工作狀態下的開關電源進行傳導EMI測試，然后再將測試結果與標準所規定的極限值進行對比，從而判斷開關電源產生的傳導電磁干擾是否超標，同時為之后的電磁兼容整改問題提供幫助。所以，對開關電源的測試方法及測試技巧的研究具有重要的工程意義。

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[1] 劉尚合,劉衛東.電磁兼容與電磁防護相關研究進展[J].高壓電技術,2014.

[2] 吳良斌,高玉良.現代電子系統的電磁兼容性設計[M].北京:國防工業出版社,2004.

[3] Firuz Zare, Dinesh Kumar, Marian Lungeanu and Aupke Andreas. Electromagnetic Interference Issues of Power Electronics Systems with Wide Band Gap Semiconductor Devices[J].IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2015.

[4] GJB 152A-97.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].北京:國防科學技術工業委員會,1997.

[5] 王曉輝,張曉.LISN在電力電子設備EMI測試中的應用[J].微波學報,2010.

[6] 唐吉林,杜明星.基于開關電源傳導抗擾度的研究[J].電測與儀表,2016.

[7] 魏克新,張海梅,梁斌.電源線傳導電磁干擾測試方法的研究[J].華東電力,2010.

Study on test method of electromagnetic interference conducted by switching mode power supply

ZHANG Xing, DU Ming-xing, WEI Ke-xin

TP214

：A

1009-0134(2017)03-0064-04

2016-11-24

張興（1994 -），男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向為電動汽車電驅動系統傳導性電磁兼容。