基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法

摘要

本发明公开了一种基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法。本发明对滤波器、负载以及所组成的电路进行散射参数建模，通过测量散射参数可以变换得到电路特性参数。本发明实际测量中只需用到网络矢量分析仪和被测件，无须使用其它硬件，有效避免了额外的硬件误差。其次，本发明对于滤波器和负载不仅建立其电路模型，还建立其模态模型，充分考虑了噪声信号在电路中会发生模态改变这一情况。同时，本发明同时测量滤波器的幅频特性和相频特性，以便从幅值和相位两个方面评价滤波器滤除噪声信号的效果。本发明实现方法简单易行，减少硬件误差，为精确测量滤波器特性提出了一种有效的解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及的是利用散射参数对于传导性电磁干扰滤波器性能进行测试与改进，为研究电力电子设备的传导性电磁干扰滤波器的设计提供理论基础，为传导性电磁干扰噪声的抑制即EMI滤波器的性能测试提供方法，该发明属于电磁兼容设备设计以及滤波器设计的技术领域。

背景技术

抑制EMI噪声的有效方法是设计EMI滤波器对于噪声进行抑制。目前对于EMI滤波器的设计主要采用的有插入损耗法，即插入EMI滤波器后噪声干扰的衰减程度，一般采用电压幅值的比值来计算表示插入损耗，其值越大，表示滤波器抑制噪声干扰的能力越强。但是在EMI滤波器设计过程中，必须考虑的是能否有效抑制噪声信号以及可以预测由于滤波器构造的不对称性或者由于电网络中的模态传导阻抗而在滤波器中引起的模态转换。滤波器的这些性能直接关系到对于噪声信号抑制效果的优劣。

发明内容

散射参数是通过端口上的入射波和反射波来描述网络内部性质的一种参数矩阵，通常也称为波参数。采用散射参数对于滤波器性能进行测试有如下优点：

1可以精确的计算在真实电路中滤波器对于共模/差模噪声信号的衰减作用。

2可以预测由于滤波器构造不对称或者由于电网络中的模态传导阻抗而引起的模态转换。

3采用散射参数设计滤波器可以省去繁琐的滤波器选择过程，其选择的过程可以通过软件快速选择而达到缩减的过程。

本发明利用散射参数方法对于滤波器特性进行测试，测试电路由线性阻抗稳定网络(LISN)、矢量网络分析仪、网络分析仪和负载(EUT)构成。克服了现有技术存在的技术缺陷。本发明的特点是：1、利用矢量网络分析仪测定电路噪声的散射参数。2、测量滤波器散射参数特性，并与电路噪声的散射参数结合对于滤波器性能进行分析。3、利用经由线性阻抗稳定网络隔离电网噪声的电力线路，将其通过滤波器输入到开关电源及负载当中，构成完整的电源回路，经过线性阻抗稳定网络(LISN)进行噪声的提取，并且建立相应的电路模型和模态模型，从而对于滤波器的性能进行改进。

本发明提出的基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法，其测量原理如图1所示。对于滤波器性能的测定，可以通过散射参数建立其电路模型与模态模型，并与相因的负载模型结合进行测试。

根据传播路径的不同，传导性电磁干扰可以分为差模(DM)干扰和共模(CM)干扰。差模干扰是指电源的相线与中线所构成的回路中的干扰信号，而共模干扰是指由电源的相线或中线与地线所构成回路中的干扰。

根据散射参数的性质，可将滤波器等效为一四端口网络，采用散射参数进行测试时，需要四个方程来表征八个波变量之间的关系，在这四个方程中共有十六个S参数，其中S_nn为反射系数，S_mn为传输系数(m≠n)。

$\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\\ b_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}& S_{12}& S_{13}& S_{14}\\ S_{21}& S_{22}& S_{23}& S_{24}\\ S_{31}& S_{32}& S_{33}& S_{34}\\ S_{41}& S_{42}& S_{43}& S_{44}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\\ a_4\end{array}\right)\Rightarrow \left[b\right]=\left[S\right]\left[a\right]---\left(1\right)$

本发明基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法，采用散射参数设计滤波器，其步骤如下：

1：首先，建立滤波器的电路模型和模态模型，仅对于滤波器，采用散射参数法，测量出其电路的散射参数，从而建立起滤波器的电路模型，其次，采用矩阵变换得到滤波器的模态模型。

2：建立负载的电路模型和模态模型，首先，将负载的噪声电路等效成为一个由三个阻抗和两个电压源组成的一个二端口网络电路模型，(见图2)采用该电路的散射参数，就可以确定电路阻抗Z₁、Z₂和Z₃。两个电压源则通过测量网络的端口电压和求得的电路阻抗Z₁、Z₂和Z₃共同确定，从而得到负载的电路模型。采用类似的方法，也可以得到负载的模态模型。即将负载模态等效成为一个由共模阻抗Z_CM、差模阻抗Z_DM、传导阻抗Z_TM和两个噪声电压源V_nCM、V_nDM组成的二端口网络(见图3)。并利用模态模型和电路模型之间的对应关系，求得模态模型中的参数。

3：根据图4对于建立好的滤波器和负载的模型仿真计算，首先仿真其电路模型，采用滤波器和负载的电路模型。通过仿真得到电路的端口电压V_L和V_N以及整个电路的散射参数。

4：通过图5对于整个电路模态模型仿真，采用滤波器和负载的模态模型，得到电路的共模电压V_CM和差模电压V_DM。

5：为了确定所建立的模型和仿真电路的有效性，需要测试和建模两种电子装置并且还要预测当该装置与滤波器相连接的时候，其内部的传导性干扰。首先采用人工测试装置，该装置包含三个复杂阻抗和两个内部电压源(如图6)。通过建立的电路可以测试建立模态的方法的正确性。人工测试装置的电压源V_n1’和V_nn’采用一个含有两个等效放大器和一个移相器的射频发生装置来实现，其频率范围为从50kHz到35MHz。当电路建立好之后，通过计算和实际测量分别的到电路的参数，并将两者的结果进行对比，发现其有很好的一致性。

6：当人工电路器件的电路模型和模态模型都已知后，可以将其应用于预测在不同环境下，传导干扰经过滤波器滤波之后的值。搭建电路见图7。电路的端口电压V_L与V_N通过计算和测量分别得到两组相应数值，矢量网络分析仪可以测定噪声信号的幅值与频率。经过计算模拟和测试模拟可以看出，电路计算建模与实际测量所得相一致。

7：将所测得的电路噪声与当前标准相比较。通过滤波器后的噪声将要衰减，以确保整个电路系统的噪声能够达到国际上制定电磁兼容标准的要求。

8：为了检测建模方法对于真实电路的可适应性，采用高频信号发生器传送4MHz的信号给电路。首先通过测试得到噪声源的电路模型和模态模型；其次测试所设想的滤波器的散射参数，并建立其模态模型；然后测试出电路模型和模态模型的端口电压V_L、V_N、V_CM、V_DM；最后将测得的端口电压与计算得到的端口电压相比较，看是否一致，并与当前国际标准相比较，看能否符合国际标准以验证滤波器设计的成功性。

本发明采用的测试方法，可以针对各类电力电子设备噪声所设计的滤波器性能进行测试。采用散射参数测试滤波器性能，操作简单并且测试准确。通过该测试方法，可以对滤波器性能进行测试，进一步为EMI滤波器的设计提供理论依据。

附图说明

图1基于散射参数的EMI滤波器性能测试方法测试原理图

图2负载的电路模型，其中Z₁、Z₂和Z₃为电路中阻抗，V_n1、V_nn为电路中小信号源。

图3负载的模态模型

图4有滤波器的负载系统的电路仿真

图5有滤波器的负载系统模态仿真

图6人工测试装置，其中Z′₁由18Ω电阻，1.5nF电容和50Ω信号源阻抗Z′_gl组成；Z′₂由18Ω电阻，470nH电感和50Ω信号源阻抗Z′_gn组成；Z′₃由18Ω电阻和6.8nF电容组成

图7带有滤波器的电路测试

图8滤波器电路模型，其中，Z₀为50Ω

图9滤波器的模态模型，其中，Z_OCM＝25Ω，Z_ODM＝100Ω

图10负载模型散射参数获取方法

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例

这里以图4、5的含有滤波器的电路为例说明本测试方法的具体实施步骤，图4为系统的电路仿真，而图5为系统的模态仿真。目前国际上规定的传导性电磁干扰测量设备有线性阻抗稳定网络LISN(Line Impedance StabilizationNetwork，简称LISN)和矢量网络分析仪。

线性阻抗网络又称作人工电源网络或电源阻抗稳定网络，是重要的电磁兼容测试设备。该网络能够有效屏蔽来自外部电网的高频干扰或阻止负载产生的高频干扰通过电源插座传入外部电网，同时又不影响负载正常工作下所提供的工频电流(如国内50Hz电流)，并在射频范围内向被测设备(即图4中的负载电路)提供一个稳定的50Ω的阻抗，然后将干扰电压传输到矢量网络分析仪上。

矢量网络分析仪是一种可以测量系统散射参数的仪器，该仪器不仅可以显示所测量到的幅值，还可以显示测量所得的相位，可以更加全面的分析电路噪声滤波器的性能。

具体测试方法，将交流电源直接接入到线阻抗稳定网络L、N，经过现行阻抗稳定网络(LISN)后输入到滤波器及负载中，构成一整条电源回路；经过现行阻抗稳定网络(LISN)进行噪声的提取，输入矢量网络分析仪对于噪声进行分析，并将分析结果与所计算得到的理想结果相比较，观察两者是否一致。

首先建立滤波器电路模型，一个滤波器可以设计成为一个四端口网络，如图8所示，其中，L-G端口的输入、输出电压和电流分别采用V_IL、V_OL、I_IL、I_OL来表示，同理，N-G端口的输入、输出电压和电流分别采用V_IN、V_ON、I_IN、I_ON来表示，则该电路的S参数模型为：

$\left(\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{IL}}\\ b_{\mathrm{IN}}\\ b_{\mathrm{OL}}\\ b_{\mathrm{OL}}\end{array}\right)=\left[S\right]·\left(\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{IL}}\\ a_{\mathrm{IN}}\\ a_{\mathrm{OL}}\\ a_{\mathrm{OL}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其次，建立滤波器的模态，如图9所示，其中V_ICM、V_IDM、I_ICM、I_IDM为共模和差模的输入电压与电流，V_OCM、V_ODM、I_OCM、I_ODM为共模和差模的输出电压与电流。

该模态网络的散射参数模型为：

$\left(\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{ICM}}\\ b_{\mathrm{IDM}}\\ b_{\mathrm{OCM}}\\ b_{\mathrm{ODM}}\end{array}\right)=\left[S_M\right]·\left(\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{ICM}}\\ a_{\mathrm{IDM}}\\ a_{\mathrm{OCM}}\\ a_{\mathrm{ODM}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

(2)(3)两式可以由矩阵方程(4)进行转换：

[S_M]＝[B]·[S]·[A]^-1    (4)

其中，矩阵[A]、[B]为：

$\left[A\right]=\left[B\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 1& -1\end{array}\right)$

第三，在滤波器电路和模态模型都建立好之后，对于负载建立其电路和模态模型。其电路模型等效为三个电阻与两个电压源的电路，采用图10的测试方法获得负载电路的散射参数，通过散射参数求得电路模型中阻抗Z₁、Z₂和Z₃的值以及电路中电压源的值如式(5)(6)：

$Z_1=\frac{Z_0(1+S_{11})(1+S_{22})-Z_0{S}_{12}{S}_{21}}{(1-S_{11})(1+S_{22})+S_{12}{S}_{21}-2S_{21}}---(5-1)$

$Z_2=\frac{Z_0(1+S_{11})(1+S_{22})-Z_0{S}_{12}{S}_{21}}{(1+S_{11})(1-S_{22})+S_{12}{S}_{21}-2S_{21}}---(5-2)$

$Z_3=\frac{Z_0(1+S_{11})(1+S_{22})-Z_0{S}_{12}{S}_{21}}{2S_{21}}---(5-3)$

$V_{n1}=V_L-\frac{Z_1(Z_2+Z_3)I_L+Z_1{Z}_2{I}_N}{Z_1+Z_2+Z_3}---(6-1)$

$V_{\mathrm{nn}}=V_N-\frac{Z_2(Z_1+Z_3)I_N+Z_1{Z}_2{I}_L}{Z_1+Z_2+Z_3}---(6-2)$

其中，Z₀为测试系统的反射阻抗，通常取50Ω。V_L、V_N、I_L、I_N分别为端口的火线电压、零线电压、火线电流、零线电流。

第四，建立负载电路的模态模型，如图3，该电路中的参数可以通过已有的电路模型参数求得如式(7)(8)：

$Z_{\mathrm{CM}}=\frac{2Z_1{Z}_2}{Z_1+3Z_2}---(7-1)$

$Z_{\mathrm{DM}}=\frac{4Z_1{Z}_2{Z}_3}{4Z_1{Z}_2+3Z_2{Z}_3-Z_1{Z}_3}---(7-2)$

$Z_{\mathrm{TM}}=\frac{2Z_1{Z}_2}{Z_1-Z_2}---(7-3)$

$V_{\mathrm{nCM}}=\frac{V_{n1}+V_{\mathrm{nn}}}{2}---(8-1)$

V_nDM＝V_n1-V_nn    (8-2)

第五，对于滤波器和负载的电路仿真，根据1，2两步所建立的滤波器和负载的电路模型，对于已经连接好的电力线网络、滤波器和负载阻抗进行模拟(见图4)。根据仿真电路，可以建立整个电力线路网络的电路模型，从而对于线路网络中的电磁干扰噪声进行模拟，得到电路的火线-地线电压V_L和零线-地线电压V_N。

第六，对于滤波器和负载的模态仿真，仿照步骤3，对于连接好的电路进行模态仿真(如图5)，综合了滤波器和负载的模态模型的电路模态模型经仿真可以得到电路的共模电压V_CM和差模电压V_DM，进而对于干扰信号进行定性和定量诊断，从诊断结果可以看出因为共模信号转化为差模信号时，对于滤波器影响的大小。

第七，采用一个人工测试装置(图6)和一个高频信号发生器对于模型的有效性进行检测。其中，人工测试装置由阻抗Z′₁(包含一个18Ω电阻，一个1.5nF电容和一个50Ω信号源阻抗Z′_gl)，Z′₂(包含一个18Ω电阻，一个470nH电感和一个50Ω信号源阻抗Z′_gn)和Z′₃(包含一个18Ω电阻，一个6.8nF电容)组成；高频信号发生器给予电路一个4MHz的信号。将测试结果与通过计算所得理想结果相比较，可以看出两者结果吻合较好。

通过上述实验可见，电路模型和模态模型是本实施例滤波器性能测量的主要因素，而模型中电路参数值的选取是本实施例电路的共模噪声的主要影响因素。因此，在本电路中可以通过修改电路中的参数来改善滤波器消除信号噪声的效果。对于其他相似的滤波器而言，可以用该发明的方法研究其性能的好坏，从而为减小电路的传导性噪声以及滤波器的设计提供依据。