开关电源传导电磁干扰测试方法的研究

张 兴，杜明星，魏克新

（天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

开关电源传导电磁干扰测试方法的研究

张 兴，杜明星，魏克新

（天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

在电磁兼容性能的研究中，对设备的电磁干扰进行测试显得极为重要。开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优点，广泛应用于各种电力电子系统中，但开关电源的小体积、高频化必将引起大量的噪声，导致更为严重的电磁干扰，故对开关电源进行电磁干扰测试具有实际意义。以开关电源（型号NES-15-12）为例，用电流法和电压法这两种典型的传导电磁干扰干扰测试方法，分别测量出开关电源在空载和带载下产生的传导电磁干扰，有利于深入分析在不同工作状态下其产生的电磁干扰情况，为电磁干扰测试技术的完善提供了有益的补充，具有一定的实际意义。

开关电源；传导电磁干扰；测试方法

0 引言

随着电力电子技术的高速发展，设备的电磁兼容问题逐渐受到人们重视，因此电磁干扰测试技术正在不断完善[1]。电磁干扰分为传导电磁干扰和辐射电磁干扰。传导电磁干扰是指存在于连接导线上的干扰，辐射电磁干扰是指存在于空间的电磁能量引起的干扰[2]，本文进行的是传导性电磁干扰测试。

开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，在各种电力电子系统中得到广泛应用，但开关电源的小体积、高频化必将引起大量的噪声，造成严重的电磁干扰[3]，因此必须对其进行电磁干扰测试，了解其产生的电磁干扰情况。本文所使用的开关电源属于交流/直流型（AC/ DC）开关电源，输入为220V±15%，正常情况下可以输出稳定的+12V直流电压。

1 测试原理

此次实验所需要的测量设备主要有电流探头（型号F-16A），线性阻抗稳定网络（LISN，型号NNLK 8129），测试接收机（型号ESL3）和耦合/去耦网络（CDN，型号M2-50A）。

1.1 电流探头

电流探头是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流信号的磁环，本质上是一个变压器，使用电流探头能够测量流经导线的干扰电流大小。流经导线的电流会导致在导线周围形成电磁通量场，电流探头是为传感这个磁通量场的场强而设计的，并把它转换成相应的电压，其测量原理图如图1所示。

图1 电流探头测量原理图

电流探头的构造特点使其只对所围绕导线的电流产生响应，而对外部场进行有效的隔离。使用时，电流探头夹在LISN和被测设备（EUT）之间的导线上，无需将电流探头与被测电源线直接接触，就可将测得的干扰电流转换成干扰电压。

1.2 LISN

根据GJB152A-97[4]规定，这里选用50Ω//50μH的V型结构的LISN，其端口图如图2所示。LISN对被测电源线均提供3个端口：1端口接供电电源，2端口接EUT电源输入端口，3端口则被用来接EMI测试接收机的50Ω输入端或虚拟负载干扰输出（50Ω终端电阻），作为干扰信号输出端口。图3为其内部结构图。其中，50μH电感和8μF电容构成了一个简单的低通滤波器，可隔离电源侧的高频干扰；0.25μF电容为隔直电容，可将EUT侧产生的高频干扰传至接收机中，从而保证接收机测得的干扰确实为EUT产生的；由图3可知，在用接收机测试EUT侧高频干扰时，其可看作是50Ω电阻并联在1kΩ电阻两端，因此，当去掉50Ω电阻时，1kΩ电阻为0.25μF电容提供放电通路，是耦合电流的泄放电阻[5]。

图2 LISN的端口图

由上可知，接收机所测得的电压实际上就是由相线或中线电流流过50Ω电阻所产生的电压，可得：

图3 LISN的内部结构图

式中UL,UN为相线和中线对地线的电压，IL,IN为相线和中线电流。

1.3 CDN

图4为CDN内部结构图。由图4可知，信号输入端口输入的信号通过电容C2（10nF）和R（200Ω）耦合到线缆中，电感L（大于280uH）和电容C1（47nF）构成一个简单的滤波器[6]，从而使注入的干扰信号与电源端隔离，保证干扰信号只影响被测设备，防止干扰影响其他设备。这里CDN主要用于隔离开关电源与负载，防止负载产生的干扰影响到开关电源，从而保证测量准确性。

图4 CDN的内部结构图

2 测试平台

2.1 电流法

开关电源传导电磁干扰电流法测试分布如图5所示。

3 测试结果

下，开关电源产生的传导电磁干扰在10dBuV～40dBuV之间。比较空载和带载两种情况下测试结果能看出，两种情况下的传导电磁干扰在测试频段内变化趋势大体一致，基本都在20dBuV附近。开关电源在带载时产生的传导电磁干扰明显比空载时的干扰大，差值为1dBuV～6dBuV。

3.2 电压法

3.2.1 空载

按照图6连接好电路，断开C点，即为空载测试，测试频段为150kHz～30MHz。根据示波器显示，开关电源输出+12V，其正常工作，保证测量准确性，电压法测得的开关电源空载情况下干扰电压如图9所示。

图9 电压法空载时干扰

3.2.2 带载

按照图6连接好电路，接好电子负载，即为带载测试，测试频段为150kHz～30MHz。电压法测得的开关电源带载情况下干扰电压如图10所示。

图10 电压法带载时干扰

由以上测试结果可知，空载情况下，开关电源产生的传导电磁干扰10dBuV～55dBuV之间；带载情况下，开关电源产生的传导电磁干扰10dBuV～60dBuV之间。比较空载和带载两种情况下测试结果能看出，两种情况下的传导电磁干扰在测试频段内变化趋势大体一致，基本集中15dBuV～40dBuV之间，开关电源在带载时产生的传导电磁干扰明显比空载时的干扰大，差值5dBuV～15dBuV。

综上，在接负载时，由于负载在工作时会产生电磁干扰以及开关电源在不同的输出状态下产生的电磁干扰会有所变化，所以带载时产生的干扰会更大，故在负载和开关电源间放置CDN很有必要，它能隔离CDN两侧的传导电磁干扰，保证测量准确性。电流法测得的干扰是由电流探头通过对导线上电流产生的电磁场进行感应而得到的，对某些频段在感应过程中可能会有感应衰减，另外，导线上也会存在一定的信号衰减，电流探头在导线上不同位置感应出的干扰可能会有所差异。电压法测得的干扰是通过LISN内部结构，从实际电路里直接提取出来的，故信号更为准确。电流法的测试结果可能会有些许偏差，但此方法简单易行，直接将探头夹在测试线缆上即可，而电压法必须使用LISN和50Ω终端负载，故方法选取视具体情况而定。

为了使测量结果更为准确，在使用电流探头时应使其更靠近LISN侧[7]，或在LISN与EUT之间的导线上多处测量后取平均值。另外，在连接各设备时，应使连接线尽可能短，且尽可能分散些。这是为了减少干扰信号在导线上的衰减，以及尽可能减少其他处的干扰通过空间电磁场耦合进来。

4 结束语

伴随着电子技术的迅猛发展，电气设备在工作时会不可避免地产生较强的电/磁场，这些电磁能量必然会产生不必要的电磁干扰，在电压和电流快速变化的开关器件里，电磁干扰尤为严重。开关电源体积小、重量轻、效率高，广泛应用于各种电力电子系统中。由本文测试结果可知，开关电源是一个大电磁干扰源，内部干扰情况复杂，在空载和带载时干扰变化严重，不同工作状态下产生的电磁干扰波动剧烈。所以，必须根据相关标准和规范对不同工作状态下的开关电源进行传导EMI测试，然后再将测试结果与标准所规定的极限值进行对比，从而判断开关电源产生的传导电磁干扰是否超标，同时为之后的电磁兼容整改问题提供帮助。所以，对开关电源的测试方法及测试技巧的研究具有重要的工程意义。

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[1] 刘尚合,刘卫东.电磁兼容与电磁防护相关研究进展[J].高压电技术,2014.

[2] 吴良斌,高玉良.现代电子系统的电磁兼容性设计[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3] Firuz Zare, Dinesh Kumar, Marian Lungeanu and Aupke Andreas. Electromagnetic Interference Issues of Power Electronics Systems with Wide Band Gap Semiconductor Devices[J].IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2015.

[4] GJB 152A-97.军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].北京:国防科学技术工业委员会,1997.

[5] 王晓辉,张晓.LISN在电力电子设备EMI测试中的应用[J].微波学报,2010.

[6] 唐吉林,杜明星.基于开关电源传导抗扰度的研究[J].电测与仪表,2016.

[7] 魏克新,张海梅,梁斌.电源线传导电磁干扰测试方法的研究[J].华东电力,2010.

Study on test method of electromagnetic interference conducted by switching mode power supply

ZHANG Xing, DU Ming-xing, WEI Ke-xin

TP214

：A

1009-0134(2017)03-0064-04

2016-11-24

张兴（1994 -），男，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为电动汽车电驱动系统传导性电磁兼容。