基于双电流探头和四种状态测试的EMI噪声源阻抗提取方法

赵 波闫景瑞赵 阳

（1. 江苏省计量科学研究院，南京 210023；2. 南京师范大学，南京 210042）



基于双电流探头和四种状态测试的EMI噪声源阻抗提取方法

赵 波1闫景瑞2赵 阳2

（1. 江苏省计量科学研究院，南京 210023；2. 南京师范大学，南京 210042）

基于双电流探头，设置被测噪声源为短路导线、标准电阻、电感、标准电容四种状态，利用散射参数原理分别其传输参数和反射参数，从而提取到被测噪声源的高频阻抗。以商用开关电源为测试对象，实现了源阻抗幅值和相位的测试和计算，验证了该方法的有效性。本文设计的四种状态测试方法，基本涵盖了所有的阻抗描述情况，克服了测试过程中存在的近似和理想化的约束条件，测量的精度提高，为电磁干扰滤波器的设计提供了准确的参考依据。

双电流探头；散射参数；噪声源阻抗

近年来，电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）问题越来越严重，而解决传导EMI噪声问题，常用的方法是设计EMI滤波器，使其满足最大阻抗失配原则［1-2］，从而达到理想的噪声抑制效果。因此，在设计EMI滤波器之前，需要对噪声源阻抗进行分析和提取。到目前为止，国内外常用的噪声源阻抗提取方法有谐振法、电压法和电流法。

谐振法是由 Schneider提出的，根据差模/共模阻抗分别呈现容性和感性的特征，在噪声源内阻抗上施加发生谐振的电容器或者电感器，然后通过测量负载电流、谐振频率等特征参数提取噪声源等效内阻抗，但是其适用频段非常低，不具有广泛性［3］。电压法是由美国明尼苏达大学的Zhang Dongbing提出［4］，该方法是通过计算被测噪声源和负载之间加载滤波单元前后，负载两端的噪声电压比值求得载滤噪声源阻抗［5］；此外，中国的孟进也提出了基于模型参数的估计法，通过在被测噪声源与测试电阻之间加入已知阻抗的RLC单元网络，通过测量在加载RLC单元网络前后的测试电阻上的电流、电压变化关系提取噪声源内阻抗［6］；电压法具有较好的理论基础，但是运用过程中需要近似处理，因此提取精度存在一定的差异。

电流法是由新加坡的 See提出的［7］，根据相应的理论公式将电流探头作为信号注入或接受设备，配合频谱分析仪分别计算加载被测噪声源前后测试系统总阻抗，做减法求得噪声源阻抗。该方法只能测得噪声源阻抗的幅值，而无法获取其相位，存在一定的局限性。

本文在电流法的理论基础上进行优化和改进，使用两个电流探头和矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA），经过测试噪声源为短路导线、标准电阻、电感和标准电容四种状态时的阻抗，由此计算出测试系统的必要参数，从而提取到被测设备的噪声阻抗，为EMI滤波器的设计提供准确的参考依据。

1 基于双电流探头的阻抗提取原理

电流探头法是基于电磁感应技术的阻抗提取方法，使用电流探头测试噪声源阻抗的一个明显优势是，它不需要与被测系统直接电接触，可以很容易地安装在任何高压电气系统正常的现场情况下，因此极大地降低了安全风险［8］。如图 1所示，射频信号从VNA的端口1通过注入探头注入回路，在VNA的端口2通过接收探头接收。

图1　阻抗提取原理图

高频电流探头的测量原理是是法拉第电磁感应原理，本质上是一个匝数为1的电流互感器，将发生单元产生的干扰信号电流注入到测试电路中或将电路中传输的干扰信号电流耦合到测试设备［9］。其原理电路如图2所示，其阻抗特性如图3所示。其中，L1、I1、50Ω分别为电流探头原边的自感、回路电流和接口匹配阻抗；LW、IW分别为电流探头副边的自感和回路电流；M为互感，Zt为噪声源阻抗。

由电流探头原理可得接收端口的电压为

图2　电流探头原理图

图3　电流探头内阻抗特性

由电流探头传输特性和VNA测压原理，被测阻抗可表达为

式中，注入探头的感应电压为VP1、接收探头的感应电压为VP2、K为测量回路随频率而变的系数。

由于S参数是矢量参数，由两个复数之比定义，可以评估反射信号及传送信号的性能［10］。同时，利用S参数描述设备的电气特性，避免对设备内部进行分析，还可以有效解决传输线网络对EMI的效应问题。

2 四种状态提取K和Zsetup

为了得到ZX的值，需要计算出K和 Zsetup。本文提出了设置噪声源为短路导线、标准电阻、电感、标准电容的四种状态测量方法，提取K和Zsetup实验流程如图4所示。

在图1的闭合线路中，移去被测阻抗，并分别用短路导线、标准电阻、电感、标准电容代替，打开VNA测量S参数中的反射系数和传输系数，使用标记功能设置一系列的频点（0.15MHz、0.30MHz、…、30.00MHz），并在4种状态时分别记为包括对应频点的幅值和相位。

图4　测试实验流程图

由式（3）可得到超定方程组式（4），可以使用最小二乘法，编写相应计算机程序求解，其矩阵形式变换如式（5）所示，从而得到精确的K和Zsetup。

3 阻抗提取实例与结果分析

依据图5所示搭建测试系统，并按着流程图逐步进行实验。

图5　被测设备阻抗测试系统

本文采用北京大泽科技有限公司的ZN23101电流探头作为注入探头和检测探头，其实物如图6所示，技术指标见表 1。该电流探头主要用于测量沿导线或电缆上传播的干扰电流，测试频率范围为20Hz～1000MHz。

图6　电流探头实物图

表1　电流探头技术指标

此外，本文使用罗德施瓦茨R&S公司的ZZVL型矢量网络分析仪（9kHz～3GHz）作为电压信号注入和接收装置。其是输入阻抗为50Ω的干扰测量仪，因此可用作电流探头的测量指示器。在使用前需要用配套校准件对其传输参数和反射参数分别进行短路、开路和负载匹配校准。利用VNA的标记功能记录四种状态测试时的反射系数和传输系数，包括对应频点的幅值和相位。

如图7所示为中国电子科技集团公司第四十一研究所的AV2782精密LCR测试仪，主要由一台主机和配套测试夹具组成，可以测量元件的电阻、电容、电感等参数，阻抗测量准确度基本能够达到0.1%，可以用于元器件的出、入厂检验。

图7　AV2782精密LCR测试仪

用该LCR仪标定20Ω标准电阻、150μH电感、1nF标准电容，其频率特性如图8所示。

图8　LCR测试仪标定的频率曲线

从图8的频率特性曲线可以看出，在高频情况下，无论是电阻、电感、还是电容，它们的阻值和相角都发生了一定程度的改变，因此在分析EMI问题时，不能直接用元器件的标称值，要考虑它们的高频特性，即杂散效应。

由于目前国内使用的阻抗标准件如电阻、电感、电容等，大都在 1kHz的低频下定标。在本文中，标准件要工作在高频，考虑到它们的电响应会偏离理想特性，尽量选择高频特性好的器件，如贴片薄膜电阻、贴片陶瓷电容、自行绕制线圈，并且采取一定的补偿方法对其修正。

经过4种状态测试后，加载商用开关电源作为被测噪声源，该开关电源含不同数量的电感、电阻和电容，其阻抗幅值和相位如图9所示。

被测阻抗的误差分析见表2、表3。由图9（a）和表2可以看出，阻抗幅值的计算值与理论值变化趋势基本一致，偏差随着频率的升高而逐渐增大，但不超过2°，最大相对误差保持在2.5%以内。由图9（b）和表3可知，阻抗相角的计算值和理论值变化趋势非常一致，偏差随着频率的升高而降低，最大为 0.6°，但相对误差则越来越大，20MHz以上时超过了10%。

图9　被测阻抗的频率特性曲线

评估本文理论方法和测试平台，误差的产生大致有以下几点：①电流探头本身为电感特性，其转移阻抗不是一成不变，而是随着频率的升高而增大，导致测量回路参数K和Zsetup的实际值不固定，从而引进系统误差；②利用VNA校准短路、标准电阻、电感、电容时的S参数难以保证每次都稳定，取值时采用了出现最高频次值，引进了主观误差；③利用精密LCR测试仪标定标准电阻、电感、电容中，电阻和电容的高频特性比较稳定，而电感的高频特性则比较差，测量中忽略了其高频误差，以标称值代替实际值，引进了累积误差；④用计算机编程解算超定方程组时，在不同的算法下求得的参数K和Zsetup均不相同，而本文采用的是收敛速度和精度相对较好的准牛顿法。

表2　被测阻抗的幅值测试误差分析

表3　被测阻抗的相角测试误差分析

综上述，本文的方法可以有效提取复杂设备的噪声源阻抗，且可以保证一定的精度，为下一步设计EMI滤波器解决干扰问题提供了参考依据。

4 结论

为了准确有效提取EMI噪声源阻抗，本文设计了一套系统全面的测量方法：①基于双电流探头和VNA的测试平台，利用S参数法推导出了EMI阻抗的通用表达式；该方法仪器精简，无需使用辅助模块，降低了由信号源和频谱仪等辅助模块引起的硬件误差；②短路和标准电阻、电容、电感的四种状态测试方法，基本涵盖了所有的阻抗描述情况，克服了测试过程中存在的近似和理想化的约束条件，提高了测量精度；③实验结果验证了本文方法的有效性，在硬件设备如电流探头、标准电阻、电感、电容的高频特性的处理上还可以继续改进。

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EMI Noise Source Impedance Extraction Method based on Double Current Probe and Four Kinds of State Test

Zhao Bo1Yan Jingrui2Zhao Yang2
（1. Jiangsu Institute of Metrology，Nanjing 210023；2. Nanjing Normal University，Nanjing 210042）

Based on the double current probe，the transmission parameters and reflection parameters of the short circuit，loading standard resistance，capacitance，inductance and loading noise source impedance are measured by using the principle of scattering parameters. A test on commercial switching power supplied as the test object was carried out，in which the source impedance amplitude and phase are measured and calculated and the validity of the method is verified. This paper designs four kinds of testing methods，which basically cover all the impedance description，and overcome the approximation and the ideal of the constraints existing in the testing process，improve the accuracy of measurement，and provide a reference for the design of electromagnetic interference filter.

double current probe； scattering parameter； noise source impedance

赵 波（1979-），男，江苏省南京市人，博士，工程师，主要研究方向为电磁兼容与计量。

国家青年科学基金项目（51307050）