傳導(dǎo)性電磁兼容干擾信號自動處理研究

鄭良廣 ，王 飛 ，侯曉偉

（1.寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司基礎(chǔ)研發(fā)中心，浙江寧波315021；2.株洲中車時代電氣股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

各種電氣電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個部門及人們的日常生活中，這些設(shè)備正常運行的同時也向外發(fā)射電磁能量，導(dǎo)致空間中的電磁分布及其復(fù)雜，可能對其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響[1-5]，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重危害，這就是電磁干擾。電磁干擾除了可能產(chǎn)生各種問題外[6-7]，更為重要的是它對系統(tǒng)的效能有著重大的影響[8-10]，由此可見電磁兼容已成為電子系統(tǒng)或技術(shù)的關(guān)鍵，為了保證電子系統(tǒng)的正常工作，必須進行嚴(yán)格的電磁兼容設(shè)計[11-12]。

然而，目前仍有許多電磁干擾問題在困擾、制約著人們的生產(chǎn)和生活，尤其是電氣和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁兼容性問題越來越嚴(yán)重，越來越復(fù)雜，電磁兼容性的重要性越來越得到人們的重視，于是便出現(xiàn)了各種針對電磁兼容性的研究[13-15]。文中針對傳導(dǎo)性電磁兼容性問題進行了研究，設(shè)計了算法對共模和差模噪聲信號的診斷和抑制進行了驗證分析。

1 傳導(dǎo)性電磁兼容性研究

1.1 傳導(dǎo)性電磁干擾的基本原理

按照干擾信號對于電路作用的形態(tài)不同，可將電源系統(tǒng)內(nèi)的干擾分為共模和差模干擾信號兩種。如圖1所示為一單相交流供電系統(tǒng)，相線（L）與地（E）、中線（N）與地（E）存在的EMI信號U1、U2為共模干擾信號；差模干擾是指相線（L）與中線（N）之間干擾信號U3。U1、U2可視為在L和N線上傳輸?shù)碾娢幌嗤男盘枺琔3可視為L、N線上存在的180°相位差的干擾信號。

圖1 單相交流供電系統(tǒng)

1.2 共模和差模干擾信號的測量

電磁干擾（EMI）噪聲發(fā)射的測量和抑制一直以來是電氣與電子設(shè)備設(shè)計和制造過程中的一件大事。目前國際上規(guī)定的傳導(dǎo)性電磁干擾測量設(shè)備是線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN（line impedance stabilization network，LISN）。其核心是通過電感、電容和標(biāo)準(zhǔn)50Ω阻抗構(gòu)成的測試網(wǎng)絡(luò)，作為獲得被測設(shè)備EUT所產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾信號的接受器。

1.3 共模和差模干擾信號的分離網(wǎng)絡(luò)

傳導(dǎo)性EMI噪聲模態(tài)信號的硬分離方法目前主要采用射頻變壓器和00或1800combiner兩種方法，常見的共模和差模干擾信號的分離網(wǎng)絡(luò)。主要包括Paul網(wǎng)絡(luò)、See網(wǎng)絡(luò)和 Guo網(wǎng)絡(luò)[16]。

1.4 共模和差模干擾信號的抑制措施

電磁干擾抑制技術(shù)就是圍繞電磁干擾3要素，根據(jù)具體情況，有針對性地采取相應(yīng)措施[17-19]，歸納起來就是3條：一是抑制電磁干擾源；二是切斷電磁干擾耦合途徑；三是降低電磁敏感設(shè)備的敏感性。

抑制電磁干擾源必須確定干擾源在哪，在靠近干擾源的地方采取措施，抑制效果越好。一般來說，電流或電壓劇變的地方就是干擾源。抑制方法可以采用低噪聲電路、高頻特性好、穩(wěn)定性高的電子元件。但如果抑制電路中器件選擇不當(dāng)可能產(chǎn)生新的干擾源。

切斷電磁干擾耦合途徑的有效方法是濾波、屏蔽和接地。

電磁設(shè)備的敏感度體現(xiàn)在兩個方面：一方面人們希望接收裝置靈敏度高，以提高對信號的接收能力；另一方面，靈敏度高受噪聲影響的可能性也越大。因此，根據(jù)具體情況采用降額設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)鈍化和功能鈍化等也是解決干擾問題的有效辦法。

2 軟件設(shè)計要求

本噪聲診斷和抑制軟件要實現(xiàn)以下幾項功能：

1）噪聲測量結(jié)果顯示：此功能用來實現(xiàn)將輸入的總噪聲、共模噪聲和差模噪聲數(shù)據(jù)圖形化顯示，觀察噪聲曲線與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)曲線的偏差。

2）濾波器設(shè)計：根據(jù)提供的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，利用軟件編程的方法實現(xiàn)濾波器的設(shè)計。

3）軟件濾波：使用2）中所設(shè)計的濾波器對輸入的共模和差模噪聲數(shù)據(jù)進行軟件濾波處理，實現(xiàn)對噪聲信號的抑制，并將處理后的數(shù)據(jù)保存。

4）濾波結(jié)果顯示：將濾波后的信號數(shù)據(jù)圖形化，觀察濾波后噪聲信號曲線與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)曲線的偏差。

3 濾波器設(shè)計算法和流程圖設(shè)計

3.1 濾波器設(shè)計算法描述

本軟件是通過設(shè)計一個帶阻濾波器來實現(xiàn)對共模和差模噪聲數(shù)據(jù)的濾波處理，帶阻濾波器的衰減特性曲線如圖2所示。

圖2 帶阻濾波器的衰減特性

在圖2中，各參數(shù)定義如下：

fC1：第一截止頻率，由每組噪聲數(shù)據(jù)中第一個超過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的噪聲數(shù)據(jù)的頻率值確定；

fC2：第二截止頻率，由每組噪聲數(shù)據(jù)中最后一個超過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的噪聲數(shù)據(jù)的頻率值確定；

ΔIL：衰減幅度，在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)幅值發(fā)生躍變后各噪聲數(shù)據(jù)超過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的最大偏差。

3.2 濾波器設(shè)計算法描述流程圖

本軟件的流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 軟件處理結(jié)果分析

可供處理的原始噪聲數(shù)據(jù)有6組，分別是負(fù)載電流為2 A和5 A時的總噪聲（Total）、共模（CM）、差模（DM）噪聲數(shù)據(jù)。下面給出經(jīng)過噪聲診斷和抑制軟件處理前后的噪聲輸出波形。

1）負(fù)載電流為2 A時Total、CM、DM的原始噪聲輸出波形，如圖4所示。

圖4 原始噪聲輸出波形

2）負(fù)載電流為2 A時CM的濾波前后輸出波形，如圖5所示。

3）負(fù)載電流為2 A時CM的濾波前后輸出波形，如圖6所示。

圖5 濾波前后輸出波形

圖6 濾波前后輸出波形

4）負(fù)載電流為5 A時Total、CM、DM的原始噪聲輸出波形，如圖7所示。

圖7 原始噪聲輸出波形

5）負(fù)載電流為5 A時CM的濾波前后輸出波形，如圖8所示。

6）負(fù)載電流為5 A時CM的濾波前后輸出波形，如圖9所示。

圖8 濾波前后輸出波形

圖9 濾波前后輸出波形

5 結(jié) 論

1）由圖4和圖7可以看出，經(jīng)由LSIN網(wǎng)絡(luò)測量到的噪聲輸出為總噪聲，它可以分離成共模（CM）和差模（DM）兩類不同性質(zhì)的噪聲，并且可以看出差模噪聲主要集中在5MHz以下，而共模噪聲則集中在1MHz以上。

2）由圖5、圖6、圖8和圖9可以看出根據(jù)3.1部分設(shè)計的軟件濾波器能夠不同程度的濾除噪聲信號，但濾波器在中段的濾波效果比兩段的濾波效果好。

3）將圖5與圖6進行比較以及將圖8與圖19進行比較可以看出，此濾波器算法能更好的對共模噪聲進行濾除。

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