传导发射内涵与仿真案例分析

郭军朝 屈新田 孙平 林建阳

摘要：从传导发射基本概念出发，介绍仿真方法在产品开发各阶段的作用，详细描述电源线內差模噪声和共模噪声的产生机理和抑制方法，剖析线路阻抗稳定网络（line impedance stabilizationnetwork，LISN）在传导发射测试与仿真中的特征和用途。通过简要介绍Boost开关电源、电机控制器和电动助力转向（electric power steering，EPS）系统控制器传导发射等3个案例，深度研究滤波网络对传导发射特性的影响，剖析H桥驱动电路传导发射噪声仿真值、测试值与平均限值之间的误差及其产生原因。该传导发射噪声基本理论和相关案例分析可为产品相关特性分析提供思路。

关键词：传导发射;差模噪声;共模噪声

中图分类号：TP391.92;TM937.4文献标志码：B

0 引言

传导发射是指系统内部的电压或电流通过信号电缆、电源线或地线传输出去，成为其他系统或设备干扰源的一种电磁现象。传导发射按传输方式可分为共模噪声和差模噪声2种。共模噪声即线路对地的噪声，使用交流电源电气设备的输入端，包括输电线和中线都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。相线L与地线E和中线N与地线E间存在的电磁干扰信号为共模噪声。差模噪声即线路间噪声，存在于交流线路与中性导线间，二者相位差为180°，相线与中线之间的干扰信号为差模噪声。

1 传导发射仿真方案

当制造出产品样机后，对样机进行仿真（即前仿真）有助于发现产品设计中隐藏的电磁兼容问题，还可节省开发成本。完整的电磁兼容仿真和解决方案见图1。

电磁兼容仿真存在于产品开发的各个阶段，不同阶段仿真的目的不同。针对产品的传导发射，可以直接对原理图的电源线传导发射测试特性进行仿真，也可以运用软件仿真印刷线路板（ptinted circuitboard，PCB）线路，以便考虑线路的分布效应，然后再导人三维模型进行系统仿真，因此可以得到更准确的传导发射特性，并且可以对比仿真数据与测试数据，标定仿真模型。

电源线传导发射电平的快速有效仿真是硬件工程师和电磁兼容测试工程师极为关注的问题。仿真分析开关电源时不能完全照搬整个实际样机。毫无关系的保护电路无需被考虑进去，保护电路只有在过流保护时才起作用，产品正常工作时保护电路不工作，此时需要提取最重要的部分进行仿真分析。传导发射仿真方法可以在产品开发的需求分析和设计阶段进行，避免样机出现多次传导发射测试的成本消耗。

2 电源线內的噪声

2.1 传导噪声

噪声源出现在电源线上，与电源线串联并且噪声电流与电源电流方向相同，即为差分模式。因为输出电流与返回电流方向相反，所以该噪声被称为差模噪声，其原理示意见图2。

由杂散电容等泄漏的噪声电流，经过大地后返回到电源线形成的噪声，称为共模噪声。因为电源正（+）和负（-）侧的噪声电流具有相同的方向，所以电源线上不会出现噪声电压。共模噪声原理示意见图3。

上述噪声即为传导发射噪声。因为噪声电流在电源线中流动，所以会产生辐射。

2.2 辐射特性

由差模噪声引起的辐射电场示意见图4，电场强度E_d可以表示为

式中：I_d为差分模式下的噪声电流;r为电流线路到观察点的距离;f为电流噪声频率;s为电流环路面积。

差模噪声会被噪声电流环路放大，因此环路区域面积5是重要因素。根据式（1）和图4可知，如果其他参数恒定，那么环路面积越大辐射电场强度越高。

在实际案例中，共模噪声更为常见。共模噪声辐射电场示意见图5，电场强度E_c可以表示为

式中：L为电缆长度;I_c为共模模式下的噪声电流。

由式（2）和图5可知，电缆长度L是重要因素。

2.3 辐射定量计算

为计算由不同类型噪声引起的辐射特性，根据实例（见图6）定量计算电场强度。2种噪声计算输入条件完全相同：线缆电流频率为100MHz，线缆内电流为1uA，r为1m。计算得到差模噪声辐射电场强度为0.26uV/m，共模噪声辐射电场强度为25.10uV/m。

也就是说，对于相同的噪声电流和频率，共模噪声产生的辐射电场强度约是差模噪声辐射电场强度的100倍。

3 人工网络与传导发射

人工电源网络是重要的电磁兼容测试设备，又称为线路阻抗稳定网络（line impedance stabilizationnetwork，LISN），主要用于开关电源的传导发射测试。一般而言，LISN既可以防止电网对电源的噪声，也可以防止电源对电网的噪声，因此在进行传导噪声测试时可以为电磁干扰（electromagneticinterference，EMI）接收机提供稳定的归一化阻抗，阻抗标准为50Ω。

3.1 单个线性阻抗稳定网络

人工电源网络（见图7）由1个5uH的电感、1个1.0uF的电容、1个0.1uF的电容和1个1kΩ的电阻组成。LISN是一个干净的交流电源，可将电能供应给EUT电源，其表现形式有很多种。对于低频信号，LISN的电感表现为低阻抗，电容表现为高阻抗，所以信号经过LISN基本不衰减，电源可以经LISN输送到开关型变换器。对于高频信号，LISN的电感表现为高阻抗，电容可以视为短路，所以LISN阻止高频噪声在待测设备与电网之间的传送。

当端接传导干扰测量仪时，仪器内部标准阻抗为50Ω，共模和差模噪声电流将从该50Ω阻抗的仪器上流过，此时LISN为共模和差模噪聲电流在所需测量的频段提供50Ω固定阻抗，因此50Ω电阻上的电压即为传导噪声电压。

3.2 双线性阻抗稳定网络

双线性阻抗稳定网络（见图8）主要由电感、电阻、电容、火线L、零线N和地线E，以及引入EMI接收机的探测点和电源等组成。

LISN输入端的50uH电感用于防止电网噪声，50Ω上的电压V₁和V₂分别表示相线和中线的噪声电压，差模噪声电压V_d和共模噪声电压V_c可分别表示为

V_d=（V₁-V₂）/2（3）

V_c=（V₁+V₂）/2（3）

差模噪声是电流I_d在相线L与中线N之间流动形成的噪声，共模噪声是I_c电流在相线L或中线N与地线E之间流动所形成的噪声。2种噪声传播途径见图9。差模噪声主要由dI/dt引起，主要通过电源元器件的寄生参数和PCB的寄生参数传导。共模噪声主要由dV/dt引起，主要通过器件间的杂散电容传播。

4 控制器传导发射仿真案例

电动助力转向（electric power steering，EPS）系统控制器传导发射属于汽车零部件电磁兼容研究的内容。为仿真分析其传导发射特性，需要重点研究控制器的H桥驱动网络。

为简化仿真模型、提高仿真速度，直接采用纯原理图的形式仿真传导发射特性，搭建的传导发射电路模型见图10。该模型主要包括LISN电路、4个MOS管（采用压控开关代替）、线性电机（等效为电感和电阻串联）、4个端口（测试数据输入）等构成。

运用仿真和测试2种方式分析EPS系统控制器的传导发射噪声，得到其平均限值、仿真值和实测值随频率的变化，见表1。由此可知，传导发射在低频段（0.5-10.0MHz）内可以较好地拟合实测数据，高频段（10MHz以上）的误差较大。这主要是由MOS管采用压控开关等效、助力电机采用线性等效电路模型、忽略PCB板上高频网络等因素导致的。

5 结束语

在闡述传导发射概念的基础上简要介绍仿真方法在产品开发各阶段的作用，并且详实描述电源线内差模噪声与共模噪声的产生和抑制方法，剖析LISN网络在传导发射测试和仿真中所具备的特征和用途。通过介绍某EPS系统控制器传导发射的案例，深度研究有、无滤波网络对传导发射特性的影响，同时也剖析H桥驱动电路传导发射噪声仿真值、实测值与平均限值之间的误差及其产生原因。本文所述传导发射基本理论和相关案例为分析所开发产品的传导发射特性提供思路。