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传导发射内涵与仿真案例分析
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郭军朝屈新田孙平林建阳
摘要:从传导发射基本概念出发,介绍仿真方法在产品开发各阶段的作用,详细描述电源线內差模噪声和共模噪声的产生机理和抑制方法,剖析线路阻抗稳定网络(lineimpedancestabilizationnetwork,LISN)在传导发射测试与仿真中的特征和用途。通过简要介绍Boost开关电源、电机控制器和电动助力转向(electricpowersteering,EPS)系统控制器传导发射等3个案例,深度研究滤波网络对传导发射特性的影响,剖析H桥驱动电路传导发射噪声仿真值、测试值与平均限值之间的误差及其产生原因。该传导发射噪声基本理论和相关案例分析可为产品相关特性分析提供思路。
关键词:传导发射;差模噪声;共模噪声
:TP391.92;TM937.4文献标志码:B
0引言
传导发射是指系统内部的电压或电流通过信号电缆、电源线或地线传输出去,成为其他系统或设备干扰源的一种电磁现象。传导发射按传输方式可分为共模噪声和差模噪声2种。共模噪声即线路对地的噪声,使用交流电源电气设备的输入端,包括输电线和中线都存在这种噪声,两者对地的相位保持同相。相线L与地线E和中线N与地线E间存在的电磁干扰信号为共模噪声。差模噪声即线路间噪声,存在于交流线路与中性导线间,二者相位差为180°,相线与中线之间的干扰信号为差模噪声。
1传导发射仿真方案
当制造出产品样机后,对样机进行仿真(即前仿真)有助于发现产品设计中隐藏的电磁兼容问题,还可节省开发成本。完整的电磁兼容仿真和解决方案见图1。
电磁兼容仿真存在于产品开发的各个阶段,不同阶段仿真的目的不同。针对产品的传导发射,可以直接对原理图的电源线传导发射测试特性进行仿真,也可以运用软件仿真印刷线路板(ptintedcircuitboard,PCB)线路,以便考虑线路的分布效应,然后再导人三维模型进行系统仿真,因此可以得到更准确的传导发射特性,并且可以对比仿真数据与测试数据,标定仿真模型。
电源线传导发射电平的快速有效仿真是硬件工程师和电磁兼容测试工程师极为关注的问题。仿真分析开关电源时不能完全照搬整个实际样机。毫无关系的保护电路无需被考虑进去,保护电路只有在过流保护时才起作用,产品正常工作时保护电路不工作,此时需要提取最重要的部分进行仿真分析。传导发射仿真方法可以在产品开发的需求分析和设计阶段进行,避免样机出现多次传导发射测试的成本消耗。
2电源线內的噪声
2.1传导噪声
噪声源出现在电源线上,与电源线串联并且噪声电流与电源电流方向相同,即为差分模式。因为输出电流与返回电流方向相反,所以该噪声被称为差模噪声,其原理示意见图2。
由杂散电容等泄漏的噪声电流,经过大地后返回到电源线形成的噪声,称为共模噪声。因为电源正(+)和负(-)侧的噪声电流具有相同的方向,所以电源线上不会出现噪声电压。共模噪声原理示意见图3。
上述噪声即为传导发射噪声。因为噪声电流在电源线中流动,所以会产生辐射。
2.2辐射特性
由差模噪声引起的辐射电场示意见图4,电场强度Ed可以表示为
式中:Id为差分模式下的噪声电流;r为电流线路到观察点的距离;f为电流噪声频率;s为电流环路面积。
差模噪声会被噪声电流环路放大,因此环路区域面积5是重要因素。根据式(1)和图4可知,如果其他参数恒定,那么环路面积越大辐射电场强度越高。
在实际案例中,共模噪声更为常见。共模噪声辐射电场示意见图5,电场强度Ec可以表示为
式中:L为电缆长度;Ic为共模模式下的噪声电流。
由式(2)和图5可知,电缆长度L是重要因素。
2.3辐射定量计算
为计算由不同类型噪声引起的辐射特性,根据实例(见图6)定量计算电场强度。2种噪声计算输入条件完全相同:线缆电流频率为100MHz,线缆内电流为1uA,r为1m。计算得到差模噪声辐射电场强度为0.26uV/m,共模噪声辐射电场强度为25.10uV/m。
也就是说,对于相同的噪声电流和频率,共模噪声产生的辐射电场强度约是差模噪声辐射电场强度的100倍。
3人工网络与传导发射
人工电源网络是重要的电磁兼容测试设备,又称为线路阻抗稳定网络(lineimpedancestabilizationnetwork,LISN),主要用于开关电源的传导发射测试。一般而言,LISN既可以防止电网对电源的噪声,也可以防止电源对电网的噪声,因此在进行传导噪声测试时可以为电磁干扰(electromagneticinterference,EMI)接收机提供稳定的归一化阻抗,阻抗标准为50Ω。
3.1单个线性阻抗稳定网络
人工电源网络(见图7)由1个5uH的电感、1个1.0uF的电容、1个0.1uF的电容和1个1kΩ的电阻组成。LISN是一个干净的交流
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