1、 1 传导发射与传导敏感度 本章要研究发射的产生及其沿着产品的交流电源线传导出产品的原理。因为产品安装在市电中，所以管理机构规定强制性传导发射限值。一个设备的电力分配系统是一个庞大的网络，联接着各种电能输出装置，这个设备的其他电子系统通过这些输出装置获取交流电。因此形成了一个巨大的 天线 系统，使得这些传导发射能很有效的辐射出去，对该设备中的其余电子系统形成干扰。因此，传导发射能够引起传导发射，从而引起干扰。通常来说，减少传导发射比减少辐射发射稍微简单一些，因为只需要控制这些发射的一条路径，即电源线。然而，一个产 品不能符合传导发射限值时，却能符合辐射发射的限值，意识 到这一点很重要。因此，控
2、制产品的传导发射和控制辐射发射同等重要。 电子产品生产商还意识到仅仅满足规定的传导发射和辐射发射限值不能达到理想的电磁兼容状态。一个产品必须能够抵抗来自电网的干扰，确保产品能正常运行。譬如，闪电会袭击给设备供电的电能传输线这可能产生一系列的干扰 ,市电的完全中断 (所有产品都不能承受 )， 由于电力系统开关试图闭合而导致瞬间电能中断（产品能承受住，数据和功能不丢失 )。传导发射限值是为了控制存在于商业电网中且沿商业电网传播的噪声电流引起的 辐射发射的干扰电压而制定的。通常这些噪声电流很小，不会通过设备的电源线传入设备而产生直接的干扰。这种干扰反映了一个传导敏感度问题，生产厂商意识到并且努力让产
3、品能够承受这种干扰 。 6.1 传导发射的测量 理解传导发射限值的测量过程很重要，已经在 2.1.4中讨论过。 FCC和 CISPR 22 要求传导发射从 150K30MHz(见图 2.1)。进行一致性测试时，在电网和被测设备交流电源线之间插入线性阻抗稳定网络 (LISN)。图 6.1是一个典型的测试 结构图。产品的交流电源线接 LISN的输入。 LISN的输出接市电输出 。频谱分析仪与 LISN相连，用来测量产品的传导发射。图 6.1 在产品的传导发射测量中线性阻抗稳定网络 (LISN)的使用举例 2 6.1.1 线性阻抗稳定网络 (LISN) 传导发射测试的目的是为测量存在于产品交流电源线
4、中的噪声电流 。这些发射可以简单的使用电流探头测量。然而，使用电流探头会随着测试场地不同而导致测量的数据不同，使得这种测量方法不可行。在整个测量频段范围内， 从不同建筑物、不同墙上插头看入的阻抗会不同。阻抗值不同，通过电源线传导出去的噪声数量也不同。为了保持各个实验室的一致性，不同实验室从 产品交流电源线看过去的阻抗必须稳定 。这就是 LISN的第一个作用 在产品电源线整个传导测试频段中变现为恒阻抗。同样，在电网中产生的噪声数量也随地点的不同而不同。 “ 外部 ” 噪音耦合到产品交流电源线中，除非它被以某种方式被除掉，它将增加被测量的传导发射。 我们希望只测量由该产品产生的传导发射，所以 LI
5、SN的第二个作用是阻断不是由被测量产品产生的传导发射以便只有该产品产生的传导发射被测量。因此 LISN的两个作用是 (1)在相线和地线 (绿线 )之间、中线和地线之间提供恒阻抗 (50 )； (2)阻止电网中外部传导噪音干扰测量 。要达到这两个目的需要传导干扰测量的频率范围在 150 kHz30 MHz。 另外一个对于 LISN的细微但说不清的必要条件是它能通过 60Hz(50Hz)的功率。 图 6.2是为传导发射测量特制的 LISN。市电介入侧，在相线和绿线之间、中线和绿线之间 1 F电容的作用是去除电网上的外部噪声，阻止噪声窜入测量设备中污染测量数据。 同样， 50 H电感的作用是阻断噪声
6、。另外一个 0.1 F电容是隔直 电容，防止测试接收机过载。计算在 FCC规定限制的下限频率 150KHz和上限频率 30MHz的阻抗是有作用的。计算得到阻抗为 元件 Z150kHz Z30MHz 50 H 47.1 9424.8 0.1 F 10.61 0.053 1 F 1.06 0.0053 图 6.2 LISN电路举例说明 3 因此电容在测 试频段内是低阻抗，电感呈现为大阻抗。 50 电阻移去时， 1k 电阻为0.1 F提供放电通道。在 1k 电阻旁边并联 50 电阻，一个 50 电阻是接收机 (频谱分析仪 )的输入阻抗，另一个是保证相线和 地线之间、中线与地线之间阻抗恒定在 50 的
7、一个 50虚拟电阻。 测量电源 标记为 pV 和 NV ，分别是相线和电线之间、中线和地线之间的电压。两个测量值必须在传导发射限值的频段内测量并且都必须小于各频率下的特定限值。现在我们明白为什么传导发射用电 压来规定， 而事 实上我们对传导发射电流感兴趣。 相线电流和中线电流与测量电压之间的关系为 50pPVI (6.1a) 50NNVI (6.1b) 其中，假设在测量频段范围内， LISN的电容短路，电感开路。因此测量电压直接和通过相线、中线存在于产品中的噪声电流有关。 LISN中的电容 (电感 )在传导发射测量频段内是 短路 (开路 )电路。如图 6.3所示， LISN电路的相线和绿线、中
8、线和绿线见的等效阻抗是 50 。电源频率为 60Hz时，电感阻抗为 18.8 m ， 1 F电容阻抗为 2.7k 。因此，在电源频率为 60Hz时， LISN基本上没有作用，只能给产品供电。 最后有必要指出，一致性设计的目的是抑制规定频率范围内的干扰电流通过 50 LISN流入。规定频率范围以外的干扰没有要求必须符合干扰限值，但是对于某些产品也可能很重要，为了生产合格的产品，有时候也需要考虑。通过 LISN测量到的任何超过限值的电流都会导致整个产品不能通过测试。一个典 型的例子是电源线上存在系统晶振引起的时钟 信号 谐波 。假设系统时钟为 10MHz，如果该信号耦合到交流电源线上，就会在测量频
9、率范围内出现基波和谐波信号 (10MHz， 20MHz， 30MHz)。虽然电源线不是用来承载这些电流的，但是如果这些电流存在于电源线中，就会通过 LISN测量到，导致产品不符合规定限值。 图 6.3 在产品使用频率范围内的 LISN等效电路 4 6.1.2 共模电流和差模电流增益 如图 6.3所示，相线和绿线之间，中线和绿线之间的 LISN代表 50 的电阻 (在传导发射规定限值内的理想特性 )，使分析传导发 射变得简单。需要符合限值的测量电压就是 50 电阻上的电压，记作为 pV 和 NV 。 根据式 (6.1),这些电压和发射电流满足欧姆定律。如图 6.4所示，与辐射发射的情况一样，将电
10、流分解为从相线流到中线的差模电流和从相线、中线流回到绿线的共模电流 ： 解得： 被测电压为 认识到与辐射发射相反，在传导发射中共模电流与差模电流的数量级一样或超过差模电流是很重要的！ 图 6.4 差模电流和共模电流对被测传导发射的贡献说明 下面用实验结果证明这一重要事实。因此，不应该假设共模电流对传导发射没有影响。记住传导发射符合性测设中的差模电流不是 60Hz电源线上的工作电流也是很重要的。 观察到差模电流从一个 50 电阻流入，从另一个 50 电阻流出；共模电流同时从 50 电阻流入。因此，每相电流的贡献是加入到 pV 中和从 NV 中减去。因此，当共模、差电流的幅度相等5 时，相线和中线
11、上的电压不同： 或者 实际 上，在电源线电流流入 LISN之前所有产品都在通过噪声电流的电路中使用电源滤波器。电源滤波器包括既能抑制差模电流、又能抑制共模电流的器件。把总电流分解为共模、差模电流是为了便于滤波器元件的选取，只有其中的一种元件是设计电源滤波器的关键，能有效抑制产品的传导发射，使产品符合规定限值。 两种常见阻断共模电流通路的方法如图 6.5所示。很多电子产品在绿线入口处使用电感，如图 6.5(a)所示。电感在传导发射规定限值的频段内对共模电流而言为高阻抗，但是故障电流的通路仍然存在以提供绿线的雷击保护。出于安全原因，不希望在绿线 上焊接电感，因为焊点 有可能断裂，导致绿线断开而存在
12、潜在的雷击危害。为了避免这种情况发生，把绿线在铁氧体磁环上绕几圈构成电感 (该电感在传导发射限值频率范围内具有核实的特性 )。这种绿线上电感的典型值是 0.5mH，在规定限值的较低频率上 (150kHz)阻抗大约为 471。有人可能想电感在传导发射限值的频率上限 30MHz时的阻抗会增加，但实际上不是真的。 如第 5章所讨论的， 磁环线圈上的分布电容 会导致其高频性能变差。 图 6.5 减小共模电流的传导发射的方法 (a)绿线的电感 (b)两线产品 6 阻断共模电流的另一种方 法是设计所谓的 “ 两线产品 ” 。电源线只包含相线和 中线，没有地线。两线产品存在潜在的雷击危险，因为电源供电系统的
13、中线直接与大地相连 (在电源线入口处 )，相线与地线相比很 “ 火 ” 。由于不能保证用户 总是把电源线插头插入插座正确的插孔中，所以不可能把中线与机壳相连。如果用户把产品电源插头插入电源插座错误的插孔中，机壳相对于大地很 “ 火 ” ，这存在一个很明显的雷击危险。两线产品避免这个问题的办法是在产品电源入口处使用 60Hz的变压器，如图 6.5(b)所示。机壳联接变压器次级，不直接与相线或中线相连。这种设计去掉了绿线，通常认为 能消除共模电流。但由于图 6.5(b)所示的原因，这不一定是正确的。产品机壳与测试场地金属墙面之间的杂散电容提供了返回 LISN的等效绿线 (要求与测试场地的接地面相连
14、 )。产品电子电路与产品机架之间任何共模电压都会驱动共模电流流经这条通路。变压器初级与次级之间的杂散电容也存在。 6.2 电源滤波器 实际上如果不在产品电源线的出口处插入某种形式的电源滤波器，现在没有任何电子产品能符合传导发射要求。一些产品可能看上去没有包含滤波器，但实际上存在滤波器。例如，双线产品或当使用线性电源时，产品在电源入口处使用了 60Hz的 大变压器。变压器的正确设计能提供内在的滤波作用，因此，在某些情况下，可能需要一种“无意”滤波器。本节主要研究无意电源滤波器的设计。 6.2.1 滤波器的基本特性 这里从滤波器性能开始讨论。电子工程中的所有领域都使用滤波器，如通信，信号传输和自动
15、控制。关于这种类型的滤波器的设计资料很丰富。读者要注意的是用来减小传导发射的电源滤波器很少利用这些传统滤波器的设计思想来设计。不过，对传统滤波器的基本原理的讨论有助于发现所有滤波器通用的基本原理。 滤波器典型特性指标是插入损耗 IL，一般用 dB来表示。 考虑如图 6.6(a)所示的给负载提供信号的问题。为了防止源的某些频率分量到达负载，在源和负载之间插入一个滤波器，如图 6.6(b)所示。未插入滤波器时负载电压用 表示，插入滤波器后负载电压表示为。滤波器的插入损耗定义为： 7 图 6.6 滤波器插入损耗的定义 (a)无滤波器时的负载电压 (b)插入滤波器的负载电压 注意 该等式中的电压没有用
16、符号 ()表示，因此只表示电压幅度。由于滤波器的插入，插入损耗会减小某一频率上的负载电压。通带插入损耗表现为频率的函数。 如图 6.7所示为一些简单的滤波器，可以用第 5章中所讨论的技术来分析。 例如，确定如图 6.7(a)所示低通滤波器的插入损耗。无滤波器时的负载电压 可以很容易地由图 6.6(a)得到： 插入滤波器后的负载电压为 图 6.7 四种简单滤波器 插入损耗是式 (6.8)与式 (6.9)的比： 8 其中， 是电路的时间常数。插入损耗曲线从 0dB到 点的 3dB， 以后以 20dB/10倍频的速率增加。因此低通滤波器能通过直流到 的频率分量，其他频率分量衰减很快。3dB点以上频率
17、的插入损耗的表达式简化为： 其他滤波器的分析类似。 上述例子说明了重要一点：某个 滤波器的插入 损耗取决于源和负载的阻抗，因此不能独立于终端阻抗而声明。大多数滤波器厂商都提供滤波器插入损耗的频响曲线，由于插入损耗取决于源和负载的阻抗，那么这些指标中如何假设源和负载的阻抗值呢？答案相当明显：假定 RS =RL=50 !这里引出了另一个重点：基于 50 源和负载阻抗的与滤波器性能有关的插入损耗指标在传导发射测试中怎样起作用呢？考虑滤波器在测试中的使用，负载阻抗与相线和绿线之间、中线和绿线之间的 LISN的 50 阻抗相对应。那么源阻抗 RS是多少呢？我们不知道答案，因为 源阻抗需要从产品电源输入端
18、 看进去， 50 是令人怀疑的，而且在传导发射测试的频率范围内位常数！所以使用厂家提供的插入损耗数据来评价滤波器在产品中的性能可能得不到理想的结果。 而且，有两种电流必须减小：共模电流和差模电流。滤波器厂家通常分别给出针对不同电流的插入损耗。这些数据的获得如图 6.8所示 .如图 6.8(a)所示，绿线端差模插入损耗的测量，绿线不连接，相线和中线构成被测量电路，由于差模电流定义为从相线流出，经中线流回，绿线上没有差模电流。对于共模测试，相线和中线连接在一起，形成如图 6.8(b)所示的带绿线的测试电路。再次，假设源和 负载阻抗都是 50 。 6.2.2通用电源滤波器的结构 最普遍的电源滤波器结
19、构是如图 6.9所示的滤波器结构及其变化版本，读者应注意滤9 波器的结构构成了一种 型结构。产品输出端的差模电流和共模电流 (通常为产品电源的输入端 )表示为 DI ， CI ，而在 LISN输入端的电流 (滤波器的输出端 )表示为 。滤波器的目的是减小初级电流电平 对应的测试电压为 ： 它们必须在规定限值的频率范围内的所有频点上小于传导发射限值。 图 6.9 典型的 电源滤波器结构 6.2.3 滤波器元件对共模电流和差模电流的影响 如上讨论的，在滤波器输出与 LISN输入之间的绿线中包含的电感 GWL 能抑制共模电流。相线和中线之间包含的电容 DLC ， DRC 可分流差模电流，它们被认为是
20、线对线间电容。电容具有安全机构证明的绝缘性能，适合用作线间电容的被认为是 “ X型电容 ” 。下标 L和 R表示滤波器安装时的左侧和右侧标志。相线和绿线之间，中线与绿线之间包含的电容CLC ， CRC 分流共模电流，这里指的是线对地电容。电容具有安全机构证明的绝缘性能，适合用作为线对地电容的被认为是 “ Y型电容 ” 。所需要的电容出于安全考虑，例如，假设一个 Y型线对地电容短路。如果该电容与相线相连，那么 120V电压将与绿线相连，常常会直接加到产品机架上，这就代表了明显的触电隐患。另外，如 UL等美国安全机构 规定了最大的漏电流， 60Hz 时漏电流可流经线对地电容，以使由漏电流导致的触电
21、危险降到最低。这就限制了滤波器中线对 地电容的最大值。 一些滤波器只在左边或者右边有电容，一些滤波器两边都有。还有其他一些滤器可能只含有 CLCDLC 和 ， 而省略了 R CRCDC 和 。电容的典型值为 DCC 0 . 0 4 7 F C 2 2 0 0 pF， 。可观察到左边的线地电容 CLC 与 LISN的 50 电阻并联。因此如果在所关心的频率上的阻抗不明显低于 50，那么电容对分流共模电流无效。为判断左边的线地电容是否有效，计算典型10 电容值 CLC 2200pF 的阻抗： 1.45 MHz时，电容的阻抗为 50 。因此电容 CLC 只有 高于该频率时才对共模电流从 50 电阻
22、LISN的分流有效。 滤波器所包含的最后一个典型元件 是由耦合电感所代表的共模扼流圈。每个线圈的自电感用 L表示，互电感用 M表示。通常，该元件由两个绕在公共铁磁芯上的相同的线圈构成。 (它在传导发射频率范围内具有合适的特性 ),变压器也类似，如图 6.10(a)所示 。因为绕阻相同，并且紧密绕在同一个磁芯上，所以 ，互感近似等于自感， LM 。并且耦合系数接近 1： 121MMk LLL (6.14) 共模扼流圈的目的是抑制共模电流。理想情况下，共模扼流圈不影响差模电流，这在第 5章讨论过了，但是这里有必要重复一下。如图 6.10(b)所示，这里只考虑流过线圈的差模电流。计算扼流圈两边的电压降为： 图 6.10 使用共模扼流圈抑制共模传导发射 (a)物理结构和等效电路； (b) 差模电流的等效电路； (c)共模电流的等效电路 因此，共模扼流圈在每根导线中插入了与差模电流有关的电感 L-M。这就是通常所指的漏电感，是由于一部分刺痛从线圈中泄流出来，没有在实际线圈的漏电感不为 0，在抑制差模电流中起了重要作用。现在考虑扼流圈对共模电流的作用，如图 6.10(c)所示。计
