端口匹配方式对电源滤波器差模插入损耗测试的影响

肖苗苗，任翔，李静，马帅帅，高鹏鹏

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

电源滤波器一般是由电感、电容、电阻等无源元件组成的无源网络，是一种低通滤波器，工作频段一般在10 Hz～50 MHz，广泛应用于电子设备和系统中。电源滤波器的主要作用是抑制电源产生的EMI信号，防止EMI信号干扰设备中的敏感器件，保证信号传输稳定、不失真。EMI包括传导干扰和辐射干扰，屏蔽是抑制辐射最好的方法，而传导干扰的抑制要通过电源滤波器的共模和差模电路实现[1-3]。评估电源滤波器滤波性能的主要指标是共模插入损耗和差模插入损耗。目前差模插入损耗的测试没有统一的方法，不同的端口匹配方式会造成测试结果的差异，不利于测试结果的判定。

1 电源滤波器差模插入损耗性能评估方法

1.1 电源滤波器工作原理及评估方法

图1 是一款单相交流电源滤波器的基本电路结构图。它是由集中参数元件构成的无源低通网络[4]。图中的L1、L2是共模电感（又称共模扼流圈），L1和Cy1、L2和Cy2分别构成了L-E（即L线-地）、N-E（即N线-地）两端口低通滤波器网络，能够对电源上存在的共模EMI信号起到抑制作用。由于磁环材料的非绝对均匀、线圈绕制的非绝对对称，造成L1、L2的电感量不一致，而L1与L2的差形成了差模电感，这个差模电感与Cx构成了L-N（L线-N线）的差模滤波网络，能够对电源上存在的差模EMI信号起到抑制作用[5-8]。

图1 单相交流电源滤波器电路结构图

表1 直流电源滤波器GCXDD5-6差模插入损耗技术指标

表2 单相交流电源滤波器A1KL差模插入损耗技术指标

评估电源滤波器的传导干扰、辐射干扰的抑制性能时，通常包括器件级评估、板级评估及整机级评估[5-8]。后两种评估需要EMC实验室环境，不在本文的讨论范围。本文主要对电源滤波器器件级评估方法进行探讨，考虑空载时插入损耗参数的测试情况。共模插入损耗测试方法采用输入端短接、输出端短接再分别连接信号源与接收机，不用特别考虑匹配问题，因此不作为本文的主要研究内容。本文主要对差模插入损耗测试时如何进行端口匹配进行探讨，重点研究端口的匹配方式对测试结果的影响。

美国电气电子工程师学会制定的IEEE Std 1560-2005标准规定了100 Hz～10 GHz射频干扰滤波器的测试方法[9-13]。国内对于器件级电源滤波器的测试主要有GB/T 7343-2017，该标准规定了差模插入损耗的测试方法，“通过隔离变压器对每两根输入线及对应的输出线进行测量，所有未使用的线都不端接,变压器的匝数比为1:1”，该标准采用端接1:1变压器的方式。国内很多厂家在进行差模插入损耗测试时，采用端接50 Ω纯电阻负载的方式。因此针对电源滤波器分别采用端接1:1变压器和端接50 Ω纯电阻负载进行测试，分析不同端口匹配方式对结果的影响。

1.2 电源滤波器差模插入损耗测试实验

空载的状态下，保证源阻抗和负载阻抗为50 Ω/50 Ω，分别采用端接50 Ω纯电阻负载和端接射频变压器的方式对电源滤波器的差模插入损耗进行测试，记录测试结果。实验用50 Ω纯电阻负载采用普通的色环电阻。射频变压器采用贵阳顺络迅达公司的RFT4042A-1/1，频率范围：1～600 MHz，50 Ω阻抗匹配的1:1变压器。

选取国内厂家的两款电源滤波器，一款为直流电源滤波器，型号为GCXDD5-6；另一款为单相交流电源滤波器，型号为A1KL。两款电源滤波器的差模技术指标如表1和表2 。

1.2.1 端接50 Ω纯电阻负载

1）测试原理图见图2。

2）测试结果：

直流电源滤波器GCXDD5-6在输入、输出负端接50 Ω电阻时，差模插入损耗测试结果见表3。

单相交流电源滤波器A1KL在输入负端接50 Ω电阻时，差模插入损耗测试结果见表4。

图2 端接50 Ω纯电阻负载的测试原理图

表3 直流电源滤波器GCXDD5-6差模插入损耗测试结果——端接50 Ω电阻

表4 单相交流电源滤波器A1KL差模插入损耗测试结果——端接50Ω电阻

1.2.2 端接射频变压器

1）测试原理图见图3。

2）测试结果：

直流电源滤波器GCXDD5-6在输入、输出负端接射频变压器时，差模插入损耗测试结果见表5。

单相交流电源滤波器A1KL在输入负端接50Ω电阻时，差模插入损耗测试结果见表6。

图3 端接射频变压器的测试原理图

表5 GCXDD5-6差模插入损耗测试结果——端接射频变压器

表6 单相交流电源滤波器AIKL差模插入损耗测试结果——端接射频变压器

1.3 端接50 Ω纯电阻与端接射频变压器的测试结果对比

1.3.1 直流电源滤波器GCXDD5-6测试结果比对

直流电源滤波器GCXDD5-6端接50Ω电阻与端接射频变压器差模插入损耗的测试结果对比见图4。

图4 GCXDD5-6两种端接方式测试差模插入损耗的结果对比

通过图4可以看到，对于GCXDD5-6直流电源滤波器差模插入损耗测试时采用端接射频变压器的方式在全频段（0.01～30 MHz）结果小于端接50Ω电阻的方式。随着频率升高，端接射频变压器的插入损耗测试结果与端接50 Ω电阻相比，差距越来越大，从7 dB扩大到20 dB。

1.3.2 单相交流电源滤波器A1KL测试结果比对

单相交流电源滤波器A1KL端接50 Ω电阻与端接射频变压器测试差模插入损耗的结果对比见图5。

通过图5可以看到，对于A1KL单相交流电源滤波器差模插入损耗测试时，在1 MHz以下频段，插入损耗测试结果为：端接50 Ω电阻的方式小于端接射频变压器的方式，相差在2～7 dB左右。随着频率升高差距逐渐缩小，1 MHz以上频段出现逆转，端接射频变压器的方式小于端接50 Ω电阻，相差在6～17 dB左右。

1.3.3 小结

插入损耗是评估电源滤波器滤波性能的重要指标，不论设计者还是使用方都希望插入损耗越小越好[14,15]。实际插入损耗的测试结果为负值，为了便于分析、计算，上文表格中的插入损耗值均为取绝对值后的结果。

通过差模插入损耗测试结果比对，我们可以看到：对于直流电源滤波器，端接射频变压器的测试结果明显优于端接50 Ω电阻。整个频段，两种端接方式相差7～20 dB；对于交流电源滤波器，低频段（1 MHz以下）端接50 Ω电阻优于端接射频变压器，高频段（1 MHz以上）端情况相反。整体来看，对于电源滤波器采用端接射频变压器的方式测试差模插入损耗，测试结果更加理想。

2 结束语

以上试验是在空载的情况下进行的，目的是搭建阻抗匹配网路，对单个电源滤波器的滤波性能进行快速评估。电源滤波器实际工作时，源阻抗和负载阻抗不一定是50 Ω，这时构建的50 Ω阻抗匹配网络将不再适用，需要根据阻抗失配的具体情况进行分析、评估。另外电源滤波器的安装方式对性能指标也有很大影响，如果应用或安装不当，还可能远远小于标准中规定的最低插入损耗[16]。因此当电源滤波器安装完成后需要在EMC实验室进行整机测试，通过传导干扰及辐射抗扰度指标衡量整机的EMC性能是否符合要求。

图5 A1KL两种端接方式测试差模插入损耗的结果对比