一种新的基于共模扼流圈传导干扰模态分离网络

冯强+廖成+熊祥正

摘 要： 测试传导性干扰的模态噪声，是设计电磁干扰（EMI）滤波器的前提条件。共模扼流圈能够抑制共模模态，而不影响差模电流的输出。根据共模扼流圈这一特点，设计一种由两个共模扼流圈为核心的共模/差模分离网络，实现共模电压和差模电压的同时输出。仿真结果表明，在150 kHz～30 MHz的测试频带，输入端口阻抗基本在50 Ω，并且共模传递比（CMTR）、差模抑制比（DMRR）、差模传递比（DMTR）及共模抑制比（CMRR）四个结果显示了该分离网络的良好模态分离效果。

关键词： 共模扼流圈； 分离网络； 共模传递比； 差模抑制比； 差模传递比； 共模抑制比

中图分类号： TN710?34； TM937.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0076?03

A novel modal separation network for conducted electromagnetic interference

based on common mode chokes

FENG Qiang， LIAO Cheng， XIONG Xiang?zheng

（Institute of Electromagnetic Field and Microwave Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： Testing for conducted electromagnetic interference is a precondition for design of EMI filters. The common mode choke can reject the common mode （CM） modal， but does nothing with the output of differential mode （DM） current. According to this characteristic of CM choke， a novel separation network for CM and DM EMI was designed to carry out the voltage output of both CM and DM， which consists of two common mode chokes. The simulation results indicates that the input impedances holds on 50 Ω at the frequency range of 150 kHz～30 MHz. The four results of CM transmission ratio （CMTR）， DM rejection ratio （DMRR）， DM transmission ratio （DMTR） and CM rejection ratio （CMRR） revealed the perfect mode separation performance of this separation network.

Keywords： common mode choke； separation network； CM transmission ratio； DM rejection ratio； DM transmission ratio； CM rejection ratio

0 引 言

传导性干扰模态可以分为共模干扰和差模干扰。在单相电源系统中，共模干扰存在于电源线与地之间，差模干扰存在于电源线构成的回来之间。为了保障电力电子设备满足相应的电磁兼容标准，EMI滤波器是一种有效的抑制手段。共模干扰和差模干扰的测量，是设计EMI滤波器的前提条件[1]。

国内外研究不同的分离网络[2?8]，测量共模和差模噪声。美国Paul首先采用一对带变比为1∶1的射频变压器作为核心[2]，提出一种带机械式开关来选择CM/DM的模态输出的分离网络。该网络的输入端口阻抗仅当噪声源的阻抗为无穷大时为50 Ω。此后，See利用两个宽频带射频变压器，使得“相线”和“中线”上的噪声实现矢量“相加”、“相减”功能，分离出共模和差模信号，改进了由于机械开关带来的不利影响[3]。Wang提出基于共模扼流圈的噪声分离网络，通过抑制共模噪声获得良好的共模抑制比（CM Rejection Ratio，CMRR）[6]。由此可见，共模扼流圈是设计分离网络的一个不错的选择。为了满足阻抗匹配条件，Wang网络需要两个特性阻抗分别为100 Ω和50 Ω的共模扼流圈，本文将在这方面进行改善。

本文设计一种基于共模扼流圈的传导干扰共模差模分离网络，所需主要元件为两个特性阻抗均为100 Ω的共模扼流圈和一个变比为1∶1的异名端接的射频变压器。在150 kHz～30 MHz频带，输入端口阻抗基本恒定50 Ω，仿真结果显示了良好的分离效果。

1 基本设计理论

本节将从共模扼流圈的模型出发，介绍共模扼流圈的工作原理。之后，给出设计噪声分离网络的一般性要求，设计提供参考。

1.1 共模扼流圈模型

共模扼流圈可以分为共模模型和差模模型两种。此两种模型可以分别建立，从而分析共模扼流圈的工作原理。

图1所示为共模扼流圈的模型图。其中，P1，P2，P3和P4为共模扼流圈的四个端口。[L]表示电感值，[M]表示两个电感之间的互感。输入端P1，P2上流经的电流，可以由下表表示：

[i1=icm+idm] （1）

[i1=icm-idm] （2）

图1 共模扼流圈模型图

假设共模扼流圈的自感为[L，]互感为[M，]忽略扼流圈的漏感和分布电容，则计算其中一个绕组的阻抗：

[Z=（jωLi1+jωMi2）i1] （3）

共模传导时，有[i1=i2=icm，]则：

[Zcm=jω（L+M）=jωLcm] （4）

差模传导时，有[i1=idm，][i2=-idm，]则：[Zdm=jω（L-M）=jωLdm] （5）

可见，若绕组是对称的，并且所有磁通量集中在磁芯中，则[M=L，]即[Lcm=2L，][Ldm=0。]因此理想情况下，共模扼流圈对差模电流呈现零阻抗，而对共模电流，则相当于串联一个具有很大阻抗的大电感。实现了对共模电流的抑制，从总信号中剥离出差模信号。

共模电流产生的磁通量在磁芯中叠加，而差模电流产生的磁通在磁芯中相减。共模扼流圈的重要优点是，由高频差模产生的磁通在磁芯中相互抵消，因而磁芯不会饱和。在理想情况下，共模扼流圈不会影响差模电流。

1.2 分离网络设计要求

传导EMI噪声分离网络的分离效果，可以由四个参数表征[6，9]：共模传递比（CM Transmission Ratio，CMTR），差模抑制比（DM Rejection Ratio，DMRR），差模传递比（DM Transmission Ratio，DMTR），共模抑制比（CMRR）。定义待测设备的实际共模和差模噪声电压分别为[Vicm]或者[Vidm，]经过分离网络测量所得共模和差模电压分别为[Vocm]和[Vodm。]那么，它们可以由以下公式计算：[CMTRdB=20lgVocmVicm，][DMTRdB=20lgVodmVidm；][DMRRdB=][20lgVocmVidm，][CMRRdB=20lgVodmVicm。]

分离测试网络的框图如图2所示。一端口和二端口连接于线性阻抗稳定网络（LISN）的输出端，三端口和四端口分别连接干扰测试接收机，四个端口的阻抗要求均为50 Ω。

图2 分离网络

分离网络必须满足以下几点要求[6]：

（1） DMRR和CMRR的分贝值很小；

（2） CMTR和DMTR的分贝值接近于0；

（3） 输入阻抗在测量频带内为50 Ω，输入阻抗的值与噪声源无关。

2 分离网络设计实例

本文所设计的分离网络拓扑图如图3所示，输入电压[V1]和[V2]经过共模扼流圈T1，T2的作用，在电阻[R3]和[R4]上实现差模信号和共模信号的输出。下面将从变压器[T3]的选取，电阻值确定和共模扼流圈的特性阻抗确定三个方面分别阐述分离网络中元件的选择。

图3 分离网络拓扑图

2.1 变压器T3的选取

在单相系统中，共模电压和差模电压可以表述为：

[Vcm=V1+V22] （6）

[Vdm=V1-V22] （7）

共模扼流圈的作用是抑制共模，对差模信号的传输没有阻碍作用。因此可以用共模扼流圈分离出差模干扰电压。式（7）中的差模可以通过共模扼流圈直接获取，而共模信号可以看做输入信号[V1]和[-V2]的差模信号，用公式表示，即：

[Vcm=V1+V22=V1-（-V2）2] （8）

将电压输入二端口连接一个变比为1∶1异名端接的射频变压器，实现电压[V2]的反向输出。[V1]和反相的[V2]经过第二个共模扼流圈[T2，]那么就可以实现输入电压[V1]和[V2]的共模输出。

2.2 电阻[R1]和[R3]的确定

[R3]和[R4]代表测试接收机，其阻抗值恒定为50 Ω。在共模扼流圈T1和两个输入端口构成的回路中，存在：

[V1-V2=jωL-MIdm+R1Idm+Vdm+jωL-MIdm] （9）

将式（7）代入式（9），得：

[Vdm=R1Idm+jω?2L-MIdm]

即：

[50=R1+jω?2L-M] （10）

当耦合系数[k=1]时，互电感[M=L，]上式等号右边虚部为零，串联电阻[R1=50]Ω。同理，共模扼流圈T2的右边串联的电阻[R2=50]Ω。

2.3 共模扼流圈特性阻抗要求

对于共模扼流圈，磁芯上面的传输线可以视为均匀传输线，满足[R=0]，[G=0]，那么其特性阻抗为：

[Z0=LkCp] （11）

式中：[Lk]为磁芯上电感的漏电感；[Cp]为两个电感之间的分布电容。

根据传输线理论，共模扼流圈中任意一点[d]处的输入阻抗可以表示为[7]：

[Zin=Z0Z1+jZ0tanβdZ0+jZ1tanβd] （12）

式中：[β]为相移常熟；[Z1]为终端阻抗；[Z0]为传输线变压器的特性阻抗。

本设计中终端负载为[Z1=100]Ω，对于差模阻抗[Zin=]100 Ω，所以要求共模扼流圈的特性阻抗[Z0=100]Ω。相比于文献[6]中要求设计特性阻抗为100 Ω和50 Ω的不同扼流圈，得到了简化。

总之，图3中[R1，][R2，][R3]和[R4]的值均为50 Ω，[T1]和[T2]为特性阻抗为100 Ω的共模扼流圈，[T3]为异名端接，变比为1∶1，[R2]输出差模电压，[R4]输出共模电压。

3 仿真结果

忽略传输线的电阻和电导，考虑共模扼流圈的仿真模型[9]，在仿真软件中建立所提分离网络的电路仿真模型，共模扼流圈的耦合系数[M=]0.995，交流扫频频带为150 kHz～30 MHz，计算端口阻抗、CMTR，DMTR，CMRR和DMRR频率曲线。仿真结果如图4～图6所示。

图4为端口一和端口二的输入阻抗随频率变化的曲线。从图中可以看出，端口一和端口二的输入阻抗在整个测试频带内都一致。且在150 kHz～10 MHz频带范围内，阻抗均为50 Ω。在10～30 MHz，阻抗随着频率上升，但小于60 Ω。总的来说，在150 kHz～30 MHz的频带内，端口阻抗符合要求。

图4 端口输入阻抗

图5 DMTR和CMRR频率特性曲线

图6 CMTR和DMRR频率特性曲线

图5所示为DMTR和CMRR随频率变化的曲线，图6所示为CMTR和DMRR随频率变化的曲线。从图中可以得到，DMTR和CMTR大于-2 dB，有良好的传输效果。CMRR在-100 dB以下，达到了良好的CM抑制效果，DMRR也在-45 dB以下，DM抑制效果也比较好。

4 结 论

本文基于共模扼流圈的工作原理，设计了一种传导干扰共模/差模分离网络，能够实现共模噪声和差模噪声的同时输出。依据分离网络的设计要求，分析了所提出的分离网络中元器件的选取过程，考虑共模扼流圈的高频模型，仿真分离网络的分离效果。仿真结果表明，端口输入阻抗满足要求，CMTR，DMTR，CMRR和DMRR特性曲线显示了良好的共模/差模分离效果。

参考文献

[1] SHIH F Y， CHEN D Y， YAN P. A procedure for designing EMI filters for AC line applications [J]. IEEE transactions on power electronics， 1996， 11（1）： 170?181.

[2] PAUL C R， HARDIN K B. Diagnosis and reduction of conducted noise emission [J]. IEEE Transactions on EMC， 1988， 30（4）： 553?560.

[3] SEE K Y. Network for conducted EMI diagnosis [J]. Electronic Letters， 1999， 35（17）： 1446?1447.

[4] 罗萍，李肇基，陈光礻禹.一种新的传导型共模/差模EMI分离测试网络[J].电子测量与仪器学报，2006，20（1）：64?67.

[5] 赵阳，董颖华，陆婋泉，等.EMI噪声分离网络在电力线噪声分析中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30（21）：114?120.

[6] WANG Shuo， LEE F C， ODENDAAL W G. Characterization， evaluation， and design of noise separator for conducted EMI noise diagnosis [J]. IEEE transactions on power electronics， 2005， 20（4）： 974?982.

[7] 吴锡，毕务忠.基于传输线变压器理论的传导EMI噪声测试网络[J].电测与仪表，2010，47（4）：13?16.

[8] 王坤，张磊，张向明，等.基于传输线变压器的传导干扰分离网络[J].电测与仪表，2010，47（11）：63?67.

[9] 贾科林.EMI电源滤波器优化设计[D].成都：电子科技大学，2005.

3 仿真结果

忽略传输线的电阻和电导，考虑共模扼流圈的仿真模型[9]，在仿真软件中建立所提分离网络的电路仿真模型，共模扼流圈的耦合系数[M=]0.995，交流扫频频带为150 kHz～30 MHz，计算端口阻抗、CMTR，DMTR，CMRR和DMRR频率曲线。仿真结果如图4～图6所示。

图4为端口一和端口二的输入阻抗随频率变化的曲线。从图中可以看出，端口一和端口二的输入阻抗在整个测试频带内都一致。且在150 kHz～10 MHz频带范围内，阻抗均为50 Ω。在10～30 MHz，阻抗随着频率上升，但小于60 Ω。总的来说，在150 kHz～30 MHz的频带内，端口阻抗符合要求。

图4 端口输入阻抗

图5 DMTR和CMRR频率特性曲线

图6 CMTR和DMRR频率特性曲线

图5所示为DMTR和CMRR随频率变化的曲线，图6所示为CMTR和DMRR随频率变化的曲线。从图中可以得到，DMTR和CMTR大于-2 dB，有良好的传输效果。CMRR在-100 dB以下，达到了良好的CM抑制效果，DMRR也在-45 dB以下，DM抑制效果也比较好。

4 结 论

本文基于共模扼流圈的工作原理，设计了一种传导干扰共模/差模分离网络，能够实现共模噪声和差模噪声的同时输出。依据分离网络的设计要求，分析了所提出的分离网络中元器件的选取过程，考虑共模扼流圈的高频模型，仿真分离网络的分离效果。仿真结果表明，端口输入阻抗满足要求，CMTR，DMTR，CMRR和DMRR特性曲线显示了良好的共模/差模分离效果。

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[8] 王坤，张磊，张向明，等.基于传输线变压器的传导干扰分离网络[J].电测与仪表，2010，47（11）：63?67.

[9] 贾科林.EMI电源滤波器优化设计[D].成都：电子科技大学，2005.

3 仿真结果

忽略传输线的电阻和电导，考虑共模扼流圈的仿真模型[9]，在仿真软件中建立所提分离网络的电路仿真模型，共模扼流圈的耦合系数[M=]0.995，交流扫频频带为150 kHz～30 MHz，计算端口阻抗、CMTR，DMTR，CMRR和DMRR频率曲线。仿真结果如图4～图6所示。

图4为端口一和端口二的输入阻抗随频率变化的曲线。从图中可以看出，端口一和端口二的输入阻抗在整个测试频带内都一致。且在150 kHz～10 MHz频带范围内，阻抗均为50 Ω。在10～30 MHz，阻抗随着频率上升，但小于60 Ω。总的来说，在150 kHz～30 MHz的频带内，端口阻抗符合要求。

图4 端口输入阻抗

图5 DMTR和CMRR频率特性曲线

图6 CMTR和DMRR频率特性曲线

图5所示为DMTR和CMRR随频率变化的曲线，图6所示为CMTR和DMRR随频率变化的曲线。从图中可以得到，DMTR和CMTR大于-2 dB，有良好的传输效果。CMRR在-100 dB以下，达到了良好的CM抑制效果，DMRR也在-45 dB以下，DM抑制效果也比较好。

4 结 论

本文基于共模扼流圈的工作原理，设计了一种传导干扰共模/差模分离网络，能够实现共模噪声和差模噪声的同时输出。依据分离网络的设计要求，分析了所提出的分离网络中元器件的选取过程，考虑共模扼流圈的高频模型，仿真分离网络的分离效果。仿真结果表明，端口输入阻抗满足要求，CMTR，DMTR，CMRR和DMRR特性曲线显示了良好的共模/差模分离效果。

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[9] 贾科林.EMI电源滤波器优化设计[D].成都：电子科技大学，2005.