傳導(dǎo)發(fā)射內(nèi)涵與仿真案例分析

郭軍朝 屈新田 孫平 林建陽

摘要：從傳導(dǎo)發(fā)射基本概念出發(fā)，介紹仿真方法在產(chǎn)品開發(fā)各階段的作用，詳細(xì)描述電源線內(nèi)差模噪聲和共模噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法，剖析線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（line impedance stabilizationnetwork，LISN）在傳導(dǎo)發(fā)射測試與仿真中的特征和用途。通過簡要介紹Boost開關(guān)電源、電機(jī)控制器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（electric power steering，EPS）系統(tǒng)控制器傳導(dǎo)發(fā)射等3個(gè)案例，深度研究濾波網(wǎng)絡(luò)對傳導(dǎo)發(fā)射特性的影響，剖析H橋驅(qū)動(dòng)電路傳導(dǎo)發(fā)射噪聲仿真值、測試值與平均限值之間的誤差及其產(chǎn)生原因。該傳導(dǎo)發(fā)射噪聲基本理論和相關(guān)案例分析可為產(chǎn)品相關(guān)特性分析提供思路。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)發(fā)射;差模噪聲;共模噪聲

中圖分類號：TP391.92;TM937.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引言

傳導(dǎo)發(fā)射是指系統(tǒng)內(nèi)部的電壓或電流通過信號電纜、電源線或地線傳輸出去，成為其他系統(tǒng)或設(shè)備干擾源的一種電磁現(xiàn)象。傳導(dǎo)發(fā)射按傳輸方式可分為共模噪聲和差模噪聲2種。共模噪聲即線路對地的噪聲，使用交流電源電氣設(shè)備的輸入端，包括輸電線和中線都存在這種噪聲，兩者對地的相位保持同相。相線L與地線E和中線N與地線E間存在的電磁干擾信號為共模噪聲。差模噪聲即線路間噪聲，存在于交流線路與中性導(dǎo)線間，二者相位差為180°，相線與中線之間的干擾信號為差模噪聲。

1 傳導(dǎo)發(fā)射仿真方案

當(dāng)制造出產(chǎn)品樣機(jī)后，對樣機(jī)進(jìn)行仿真（即前仿真）有助于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中隱藏的電磁兼容問題，還可節(jié)省開發(fā)成本。完整的電磁兼容仿真和解決方案見圖1。

電磁兼容仿真存在于產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段，不同階段仿真的目的不同。針對產(chǎn)品的傳導(dǎo)發(fā)射，可以直接對原理圖的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試特性進(jìn)行仿真，也可以運(yùn)用軟件仿真印刷線路板（ptinted circuitboard，PCB）線路，以便考慮線路的分布效應(yīng)，然后再導(dǎo)人三維模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，因此可以得到更準(zhǔn)確的傳導(dǎo)發(fā)射特性，并且可以對比仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)，標(biāo)定仿真模型。

電源線傳導(dǎo)發(fā)射電平的快速有效仿真是硬件工程師和電磁兼容測試工程師極為關(guān)注的問題。仿真分析開關(guān)電源時(shí)不能完全照搬整個(gè)實(shí)際樣機(jī)。毫無關(guān)系的保護(hù)電路無需被考慮進(jìn)去，保護(hù)電路只有在過流保護(hù)時(shí)才起作用，產(chǎn)品正常工作時(shí)保護(hù)電路不工作，此時(shí)需要提取最重要的部分進(jìn)行仿真分析。傳導(dǎo)發(fā)射仿真方法可以在產(chǎn)品開發(fā)的需求分析和設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，避免樣機(jī)出現(xiàn)多次傳導(dǎo)發(fā)射測試的成本消耗。

2 電源線內(nèi)的噪聲

2.1 傳導(dǎo)噪聲

噪聲源出現(xiàn)在電源線上，與電源線串聯(lián)并且噪聲電流與電源電流方向相同，即為差分模式。因?yàn)檩敵鲭娏髋c返回電流方向相反，所以該噪聲被稱為差模噪聲，其原理示意見圖2。

由雜散電容等泄漏的噪聲電流，經(jīng)過大地后返回到電源線形成的噪聲，稱為共模噪聲。因?yàn)殡娫凑?）和負(fù)（-）側(cè)的噪聲電流具有相同的方向，所以電源線上不會(huì)出現(xiàn)噪聲電壓。共模噪聲原理示意見圖3。

上述噪聲即為傳導(dǎo)發(fā)射噪聲。因?yàn)樵肼曤娏髟陔娫淳€中流動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生輻射。

2.2 輻射特性

由差模噪聲引起的輻射電場示意見圖4，電場強(qiáng)度E_d可以表示為

式中：I_d為差分模式下的噪聲電流;r為電流線路到觀察點(diǎn)的距離;f為電流噪聲頻率;s為電流環(huán)路面積。

差模噪聲會(huì)被噪聲電流環(huán)路放大，因此環(huán)路區(qū)域面積5是重要因素。根據(jù)式（1）和圖4可知，如果其他參數(shù)恒定，那么環(huán)路面積越大輻射電場強(qiáng)度越高。

在實(shí)際案例中，共模噪聲更為常見。共模噪聲輻射電場示意見圖5，電場強(qiáng)度E_c可以表示為

式中：L為電纜長度;I_c為共模模式下的噪聲電流。

由式（2）和圖5可知，電纜長度L是重要因素。

2.3 輻射定量計(jì)算

為計(jì)算由不同類型噪聲引起的輻射特性，根據(jù)實(shí)例（見圖6）定量計(jì)算電場強(qiáng)度。2種噪聲計(jì)算輸入條件完全相同：線纜電流頻率為100MHz，線纜內(nèi)電流為1uA，r為1m。計(jì)算得到差模噪聲輻射電場強(qiáng)度為0.26uV/m，共模噪聲輻射電場強(qiáng)度為25.10uV/m。

也就是說，對于相同的噪聲電流和頻率，共模噪聲產(chǎn)生的輻射電場強(qiáng)度約是差模噪聲輻射電場強(qiáng)度的100倍。

3 人工網(wǎng)絡(luò)與傳導(dǎo)發(fā)射

人工電源網(wǎng)絡(luò)是重要的電磁兼容測試設(shè)備，又稱為線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（line impedance stabilizationnetwork，LISN），主要用于開關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射測試。一般而言，LISN既可以防止電網(wǎng)對電源的噪聲，也可以防止電源對電網(wǎng)的噪聲，因此在進(jìn)行傳導(dǎo)噪聲測試時(shí)可以為電磁干擾（electromagneticinterference，EMI）接收機(jī)提供穩(wěn)定的歸一化阻抗，阻抗標(biāo)準(zhǔn)為50Ω。

3.1 單個(gè)線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)

人工電源網(wǎng)絡(luò)（見圖7）由1個(gè)5uH的電感、1個(gè)1.0uF的電容、1個(gè)0.1uF的電容和1個(gè)1kΩ的電阻組成。LISN是一個(gè)干凈的交流電源，可將電能供應(yīng)給EUT電源，其表現(xiàn)形式有很多種。對于低頻信號，LISN的電感表現(xiàn)為低阻抗，電容表現(xiàn)為高阻抗，所以信號經(jīng)過LISN基本不衰減，電源可以經(jīng)LISN輸送到開關(guān)型變換器。對于高頻信號，LISN的電感表現(xiàn)為高阻抗，電容可以視為短路，所以LISN阻止高頻噪聲在待測設(shè)備與電網(wǎng)之間的傳送。

當(dāng)端接傳導(dǎo)干擾測量儀時(shí)，儀器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)阻抗為50Ω，共模和差模噪聲電流將從該50Ω阻抗的儀器上流過，此時(shí)LISN為共模和差模噪聲電流在所需測量的頻段提供50Ω固定阻抗，因此50Ω電阻上的電壓即為傳導(dǎo)噪聲電壓。

3.2 雙線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)

雙線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（見圖8）主要由電感、電阻、電容、火線L、零線N和地線E，以及引入EMI接收機(jī)的探測點(diǎn)和電源等組成。

LISN輸入端的50uH電感用于防止電網(wǎng)噪聲，50Ω上的電壓V₁和V₂分別表示相線和中線的噪聲電壓，差模噪聲電壓V_d和共模噪聲電壓V_c可分別表示為

V_d=（V₁-V₂）/2（3）

V_c=（V₁+V₂）/2（3）

差模噪聲是電流I_d在相線L與中線N之間流動(dòng)形成的噪聲，共模噪聲是I_c電流在相線L或中線N與地線E之間流動(dòng)所形成的噪聲。2種噪聲傳播途徑見圖9。差模噪聲主要由dI/dt引起，主要通過電源元器件的寄生參數(shù)和PCB的寄生參數(shù)傳導(dǎo)。共模噪聲主要由dV/dt引起，主要通過器件間的雜散電容傳播。

4 控制器傳導(dǎo)發(fā)射仿真案例

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（electric power steering，EPS）系統(tǒng)控制器傳導(dǎo)發(fā)射屬于汽車零部件電磁兼容研究的內(nèi)容。為仿真分析其傳導(dǎo)發(fā)射特性，需要重點(diǎn)研究控制器的H橋驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

為簡化仿真模型、提高仿真速度，直接采用純原理圖的形式仿真?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射特性，搭建的傳導(dǎo)發(fā)射電路模型見圖10。該模型主要包括LISN電路、4個(gè)MOS管（采用壓控開關(guān)代替）、線性電機(jī)（等效為電感和電阻串聯(lián)）、4個(gè)端口（測試數(shù)據(jù)輸入）等構(gòu)成。

運(yùn)用仿真和測試2種方式分析EPS系統(tǒng)控制器的傳導(dǎo)發(fā)射噪聲，得到其平均限值、仿真值和實(shí)測值隨頻率的變化，見表1。由此可知，傳導(dǎo)發(fā)射在低頻段（0.5-10.0MHz）內(nèi)可以較好地?cái)M合實(shí)測數(shù)據(jù)，高頻段（10MHz以上）的誤差較大。這主要是由MOS管采用壓控開關(guān)等效、助力電機(jī)采用線性等效電路模型、忽略PCB板上高頻網(wǎng)絡(luò)等因素導(dǎo)致的。

5 結(jié)束語

在闡述傳導(dǎo)發(fā)射概念的基礎(chǔ)上簡要介紹仿真方法在產(chǎn)品開發(fā)各階段的作用，并且詳實(shí)描述電源線內(nèi)差模噪聲與共模噪聲的產(chǎn)生和抑制方法，剖析LISN網(wǎng)絡(luò)在傳導(dǎo)發(fā)射測試和仿真中所具備的特征和用途。通過介紹某EPS系統(tǒng)控制器傳導(dǎo)發(fā)射的案例，深度研究有、無濾波網(wǎng)絡(luò)對傳導(dǎo)發(fā)射特性的影響，同時(shí)也剖析H橋驅(qū)動(dòng)電路傳導(dǎo)發(fā)射噪聲仿真值、實(shí)測值與平均限值之間的誤差及其產(chǎn)生原因。本文所述傳導(dǎo)發(fā)射基本理論和相關(guān)案例為分析所開發(fā)產(chǎn)品的傳導(dǎo)發(fā)射特性提供思路。