專利名稱：開關電源emi噪聲源內阻抗測試系統及測定方法
技術領域：
本發明涉及的是對開關電源傳導性電磁干擾(EMI)噪聲源的內阻抗測試系統及進行建模的方法，為傳導性EMI噪聲的抑制即EMI濾波器的設計提供前提基礎，屬于電磁兼容設計的技術領域。
背景技術：
EMI濾波器是抑制電磁干擾的有效措施，但目前國內外在進行EMI濾波器設計時，事先并不知道噪聲源的內部干擾源和阻抗，往往進行一種通用的EMI濾波器設計。由于干擾源阻抗和濾波器阻抗之間的匹配關系直接影響到濾波器的濾波效果，準確估計開關電源內部阻抗對于電磁干擾的有效抑制有著重要意義。
發明內容
本發明的目的是針對上述電磁兼容中EMI濾波器的阻抗匹配問題而提出的開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統及內阻抗建模方法，它可以為企業和產品設計工程師提供完善而經濟實用的噪聲源測試解決方案，本發明既可以滿足噪聲源建模的一般性要求，經濟成本較低，同時又可以為下一步EMI濾波器的設計、EMI噪聲的有效抑制提供良好的前提條件。
開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，由線阻抗穩定網絡、單電流探頭阻抗測試模塊和頻譜分析儀構成；其特征是電源線直接輸入到線阻抗穩定網絡中，通過單電流探頭阻抗測定模塊，而后輸入到開關電源及負載中，構成一整條電源回路；而后由頻譜分析儀對模塊中電流探頭的響應信號進行檢測。
所述單電流探頭阻抗測試模塊采用共模阻抗測試模塊，由一對共模扼流圈、兩個電容一個檢測式電流探頭以及一信號發生器組成；兩個電容分別接在L-E、N-E之間；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線通過一對共模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
所述兩電容固定在印刷電路板上，同時所述檢測式電流探頭在電路板上也固定其位置；印刷電路板PCB與測試設備間為短線連接。
所述單電流探頭阻抗測試模塊還可以采用差模阻抗測試模塊，由兩個差模扼流圈、兩個電容、一個檢測式電流探頭組成和一信號發生器組成；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線分別通過1個差模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源，兩個電容并聯接在L-N之間；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
本發明開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，通過線阻抗穩定網絡(LISN)、單電流探頭測試模塊和頻譜分析儀進行；從電網過來的電源線直接輸入到線阻抗穩定網絡(LISN)中，通過單電流探頭測試模塊，而后輸入到開關電源(SMPS)及負載中，構成一整條電源回路；由頻譜分析儀對該模塊中的響應信號進行檢測。
在電源回路中，線阻抗穩定網絡(LISN)的作用是為開關電源提供電源，同時隔離電源側的噪聲進入測試回路，也隔離開關電源產生的噪聲，防止污染電網，并且為測試回路提供一個50Ω的穩定阻抗。單電流探頭測試模塊用于測量開關電源的內阻抗，開關電源是待測設備。
上述單電流探頭測試模塊，又分為共模測試模塊和差模測試模塊兩個部分。
共模測試模塊由一對共模扼流圈、兩個電容、一個檢測式電流探頭和一信號發生器組成。從電網過來的電源線L、N、E直接輸入到線阻抗穩定網絡中，線阻抗穩定網絡輸出的L、N線通過一對共模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源，兩個電容分別接在L-E、N-E之間。兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容所在回路中，電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。通過電路中接入固定阻抗、短路、開關電源正常工作三種狀態讀取檢測試電流探頭上的讀數，并根據相應的算法對開關電源的內阻抗進行計算。
為使該測試電路的內部阻抗Zin可重復進行測量并盡量保持恒定，這兩電容固定在印刷電路板上，同時電流探頭在電路板上也固定其位置；印刷電路板PCB與測試設備間為短線連接，以減小導線布局引起的寄生效應，所述短線連接是指現有連接工藝能夠做到的最短連接。這種位置固定的測試，其優點是一旦電路校準后，測得的測試電路內部阻抗Zin不但適用于共模測試，同樣也適用于差模測試，可大大提高測試的速度。
所述差模阻抗測試模塊，由兩個差模扼流圈、兩個電容、一個檢測式電流探頭和一信號發生器組成；從電網過來的電源線L、N、E直接輸入到線阻抗穩定網絡中，線阻抗穩定網絡輸出的L、N線分別通過1個差模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源，兩個電容并聯接在L-N之間；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容所在回路中，電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
本發明開關電源EMI噪聲源內阻抗測定方法，其測定步驟如下步驟1首先將SMPS從主電路移走，將L與N線短接，接入一固定阻抗Rstd，該阻抗一端接L與N線的短接點，另一端接E線；主電路中線阻抗穩定網絡不通電，調節信號發生器的輸出頻率，在傳導電磁兼容測試標準10K-30MHz范圍內取若干個點，分別讀取相應的頻譜儀上的讀數，記錄頻譜儀讀數A1；
步驟2將Rstd移走，并將L與N線的短接點與E線短路，主電路中線阻抗穩定網絡不通電，調節信號發生器的輸出頻率，與上述1中的頻率點對應，記錄頻譜儀讀數A2；步驟3將SMPS接入線路中，開啟主電路電源，調節信號發生器的輸出頻率，與上述1中的頻率點對應，記錄頻譜儀讀數A3；步驟4開關電源噪聲源內阻抗的計算。
本發明裝置和方法，既可以針對各類噪聲源進行通用內阻抗測試，也可以對各種未知阻抗進行測試，精度較高，且操作簡單，僅通過電路在標準阻抗、短路和正常工作三種情況下獲取的檢測式電流探頭讀數，就可以計算出待測噪聲源阻抗的值。通過該測試方法，不但可以確定噪聲源的內阻抗值，還可以通過計算得到內阻抗的幅值和相位信息，從而可以對內阻抗的性質進行判斷，得出內阻抗是容性的還是感性的，進一步為EMI濾波器的設計提供前提，即在濾波器設計時滿足濾波器的阻抗匹配特性，從而有效的對電磁干擾進行抑制，使之滿足EMC標準。
圖1是本發明開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統框圖；圖2是本發明開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統(共模內阻抗)電路圖；圖3是本發明開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統(差模內阻抗)電路圖；圖4是噪聲源共模內阻抗測試曲線；圖5是噪聲源差模內阻抗測試曲線。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖，對本發明作進一步詳細說明。
實施例1、如圖1和圖2所示，開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，由線阻抗穩定網絡、單電流探頭阻抗測試模塊和頻譜分析儀構成；電源線直接輸入到線阻抗穩定網絡中，通過單電流探頭阻抗測定模塊，而后輸入到開關電源及負載中，構成一整條電源回路；而后由頻譜分析儀對模塊中電流探頭的響應信號進行檢測。單電流探頭阻抗測試模塊采用共模阻抗測試模塊，所述共模阻抗測試模塊由一對共模扼流圈、兩個電容一個檢測式電流探頭以及一信號發生器組成；兩個電容分別接在L-E、N-E之間；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線通過一對共模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。所述兩電容固定在印刷電路板上，同時所述檢測式電流探頭在電路板上也固定其位置；印刷電路板PCB與測試設備間為短線連接。
實施例2、如圖1和圖3所示，與實施例1基本相同，所不同的是單電流探頭阻抗測試模塊采用差模阻抗測試模塊，所述差模阻抗測試模塊，由兩個差模扼流圈、兩個電容、一個檢測式電流探頭組成和一信號發生器組成；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線分別通過1個差模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源，兩個電容并聯接在L-N之間；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
實施例3、以某商用開關電源為例，進行測試，實驗裝置如圖1所示，分別在電路處于接標準阻抗、短路和開關電源正常工作的情況下進行測試，對于開關電源噪聲源內阻抗的測試，主要分共模、差模兩種情況進行測試，這兩種情況除阻抗測試模塊有區別，測試方法及步驟都是一致的。
由于VM是信號源的輸出電壓，VP為電流探頭兩端的電壓，IW是檢測式電流探頭在回路中感生的電流，Zin為線路內阻抗，Zs為待測噪聲源阻抗。則VM＝(Zin+ZS)IW(1)于是可以得到ZS=VMIW-Zm=VPIW·VMVP-Zm=ZT·VMVP-ZM---(2)]]>ZT為電流探頭內部阻抗。保持信號源輸出不變，則對于給定頻率來說ZTVM是一個固定值。將SMPS用一個已知的標準電阻Rstd來替代，且Rstd＞＞Zin，則ZTVM=Rstd·VP|ZS=Rstd---(3)]]>短路測阻抗ZinZm=ZT·VMVP|ZS=0=Rstd·VP|ZS=RstdVP|ZS=0---(4)]]>最后給開關電源通電ZS=ZT·VMVP-Zm=Rstd·VP|ZS=RstdVP|ZS=SMPS-Zm---(5)]]>得出結果如圖4、5所示。從圖中可以看出噪聲源的共模內阻抗隨著頻率的增高而減小，呈容性，經過擬和，可以得到共模內阻抗由一個1.4Ω的電阻和一個430pF的電容串聯構成。差模內阻抗隨著頻率的增高而增大，呈感性，經過擬和，可以得到差模內阻抗由一個16Ω的電阻和一個1.7uH的電感串聯構成。
當得知開關電源的共模/差模內阻抗后，就可以進行相應的濾波器設計。根據噪聲源內阻抗、負載阻抗(已知)和濾波器結構寫出濾波器的傳遞函數，其次確定濾波器的截止頻率點、插入損耗、通帶允許的最大差損，最后計算得出濾波器各元器件的值。
由于噪聲源阻抗的大小是濾波器設計的重要依據，設計時只有當阻抗匹配，濾波器才能最大效率的發揮其濾波特性。反之，若噪聲源的內阻抗未知，進行EMI濾波器設計時，就會將噪聲源的內阻抗設為一個通用值(例如50Ω)，而進行一種通用濾波器的設計。由于各噪聲源的類型是多種多樣的，當采用通用的EMI濾波器時，必然會出現阻抗失配的問題，輕則使濾波器插入損耗減小，頻率發生漂移；重則會使濾波器將噪聲信號放大。所以，對各種不同類型的噪聲源內阻抗進行測試，作為相應的濾波器設計基礎，可以極大地提高濾波器的濾波特性，節約經濟成本。
權利要求
1.一種開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，由線阻抗穩定網絡、單電流探頭阻抗測試模塊和頻譜分析儀構成；其特征是電源線直接輸入到線阻抗穩定網絡中，通過單電流探頭阻抗測定模塊，而后輸入到開關電源及負載中，構成一整條電源回路；而后由頻譜分析儀對模塊中電流探頭的響應信號進行檢測。
2.根據權利要求1所述的開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，其特征是采用共模阻抗測試模塊，所述共模阻抗測試模塊由一對共模扼流圈、兩個電容一個檢測式電流探頭以及一信號發生器組成；兩個電容分別接在L-E、N-E之間；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線通過一對共模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
3.根據權利要求2所述的開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，其特征是所述兩電容固定在印刷電路板上，同時所述檢測式電流探頭在電路板上也固定其位置；印刷電路板PCB與測試設備間為短線連接。
4.根據權利要求1所述的開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，其特征是采用差模阻抗測試模塊，所述差模阻抗測試模塊，由兩個差模扼流圈、兩個電容、一個檢測式電流探頭組成和一信號發生器組成；線阻抗穩定網絡輸出的L、N線分別通過1個差模扼流圈輸入到開關電源，而線阻抗穩定網絡的輸出E線直接輸入到開關電源，兩個電容并聯接在L-N之間；兩電容與E線相連的兩根導線穿透電流探頭，信號發生器的輸出信號直接輸入到電容回路中，檢測式電流探頭接頻譜分析儀，開關電源的直流側輸出接負載。
5.開關電源EMI噪聲源內阻抗測定方法，其測定步驟如下步驟1首先將SMPS從主電路移走，將L與N線短接，接入一固定阻抗Rstd，該阻抗一端接L與N線的短接點，另一端接E線；主電路中線阻抗穩定網絡不通電，調節信號發生器的輸出頻率，在傳導電磁兼容測試標準10K-30MHz范圍內取若干個點，分別讀取相應的頻譜儀上的讀數，記錄頻譜儀讀數A1；步驟2將Rstd移走，并將L與N線的短接點與E線短路，主電路中線阻抗穩定網絡不通電，調節信號發生器的輸出頻率，與上述1中的頻率點對應，記錄頻譜儀讀數A2；步驟3將SMPS接入線路中，開啟主電路電源，調節信號發生器的輸出頻率，與上述1中的頻率點對應，記錄頻譜儀讀數A3；步驟4開關電源噪聲源內阻抗的計算。
全文摘要
本發明公開了一種開關電源EMI噪聲源內阻抗測試系統，由線阻抗穩定網絡、單電流探頭法阻抗測試模塊和頻譜分析儀構成；電源線直接輸入到線阻抗穩定網絡中，通過單電流探頭法阻抗測定模塊，而后輸入到開關電源及負載中，構成一整條電源回路；而后由頻譜分析儀對該模塊中的響應信號進行檢測。同時還公開了內阻抗測定方法。本發明系統和方法，既可以針對各類噪聲源進行通用內阻抗測試，也可以對各種未知阻抗進行測試，精度較高，且操作簡單。通過該測試方法，可以對內阻抗的性質進行判斷，進一步為EMI濾波器的設計提供前提，即在濾波器設計時滿足濾波器的阻抗匹配特性。
文檔編號G01R31/28GK101082655SQ20071002498
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月16日 優先權日2007年7月16日
發明者趙陽, 李世錦, 姜寧秋, 沈雪梅, 尹海平, 孫焱 申請人:南京師范大學