电磁兼容原理和抑制技术(二十一)
2011-01-06 11:03:20
来源：《磁性元件与电源》2011年1月刊
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（续上期）
5.8 EMI滤波器标准和测量方法
5.8.1 标准
我国所有标准化工作都在国家技术监督局标准化司领导下进行，为对应CISPR的工作，于1986年成立全国无线电干扰标准化技术委员会CTCSRI，我国的电磁兼容标准绝大多数引自国际标准。其来源包括：
引自国际无线电干扰特别委员会(CISPR)出版物。例如：GB/T 6113，GB14023，GB15707，GB16607等等。
引自国际电工委员会(IEC)标准。例如GB4365，GB/13926。
部分引自美国军方标准(MIL-SDT-XXX)。例如GB15540。
部分引自国际电信联盟(ITU)有关文件。例如GB/15658。
引自国外先进标准。例如GB6833。
根据我国自己的科研成果制定的标准。大量的系统间电磁兼容性标准均属于此类，例如GB6364，GB13613，等。也包括CISPR正在讨论的类似问题，根据我国国情自行制定的国家标准，例如GB/T15708，GB/T15709等。
1. 标准限值的规定方法
由于电磁兼容问题的复杂性，因而在理论研究的同时，测量占有突出的重要地位。
而贯彻执行有关标准，进行产品的电磁兼容认证，唯一的衡量标准就是测试数据。
但无论从时域还是从频域研究电磁噪声，其波形或频谱大都是十分复杂的，如何用具体数据去反映这些电磁现象，是在标准制定中必须解决的问题，否则就无法规定限值。
一般采用三种方法规定。
1) 严格规定电压或电流的时域波形。限值规定了该波形的某一特定点（经常是峰值）数值。此种方法常用于抗扰性测试。例如：GB/T13926.2-1992（静电放电），GB/T13926.4-1992（电快速脉冲群）等。
2) 喀呖声(Click)。干扰分析仪可以从宏观上评定由开关操作引起的电磁噪声幅度，发生率和持续时间，而不仔细记录和区分其波形的细节。这就是非连续性电磁噪声。
3) 连续性或非连续性（但不是喀呖声）电磁噪声。对于此类电磁骚扰的测试，也是不仔细分析其时域或频域的细节，而是通过某种特定的检波器检波后，给出该噪声某个特征值。常用特征值有：峰值：这种检波器给出电磁噪声的峰值。峰值测量适用于脉冲噪声的测试；平均值：这种检波器被设计成指示检波前信号包络的平均值。平均值检波对脉冲噪声的响应不敏感，所以不适合测量脉冲噪声；均方根值：这种检波器被设计成指示被测骚扰的均方根值。所以其测量值与功率有良好的相关性；准峰值：特点是既可反映脉冲骚扰的幅度也可反映其重复频率特征。并且其电平与人类的听觉对脉冲型干扰的主观感觉强度有很大的相关性。一般情况下在标准中如不特别注明，所有的限值均以准峰值表示。
2. EMI滤波器的标准
遗憾的是目前我国EMI滤波器尚没有产品类国标，有的只是企业标准。美军有EMI滤波器标准，如MIL-F-15733、MIL-F28861、MIL-F18327等。
5.8.2 插入损耗的测量方法
根据MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量方法。
1. 共模插入损耗的典型测量方法如图5.52所示。
根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50Ω上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50Ω上的电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器的输入端和输出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少了测量次数。因为滤波器的Cy 电容量尽管标称值一样，但存在制造误差，电感尽管绕组匝数一样，但磁芯存在磁导率误差以及工艺很难在绕制和装配时完全对称，因此平均值才有意义。
2. 差模插入损耗的测量方法如图5.53所示。
由于频谱分析仪（或标准信号发生器）输出，输入采用50Ω同轴电缆的非对地对称结构，为了测量对地对称的差模插入损耗，需对频谱分析仪跟踪发生器的输出信号（滤波器的输入信号）进行不对称-对称变换，对频谱分析仪输入信号（滤波器的输出信号）进行对称-不对称的逆变换，其他步骤同上。
用以上共、差模插入损耗的测量方法时需注意：
1) 由于测量仪器输出信号幅值在不同的频率有波动，所以0dB的校正（没插入滤波器前）应该对所测频域的各主要频点逐点进行校对。当然应包含不对称-对称和对称-不对称的变换在内。具备条件的，可进行计算机编程进行自动校正。
2) 被测滤波器外壳应该接地良好，否则MHz以上测得的插入损耗相差很大。
3) 要确保滤波器输入，输出连接线之间有良好的隔离，以避免它们之间在高频段产生射频耦合，给高频段测量带来很大的误差。
4) 没有频谱分析仪，也可以用标准信号发生器和示波器来代替，但后者动态范围小，所以在高频段的测量误差较大。
3. 常模插入损耗的测量方法如图5.54所示。
常模(Normal mode)也是经常用来表示差模的一种方法，尽管它除了含有差模的成分外，还含有共模的成分，也许是因为常模测量方法容易实现的缘故。因为不对称-对称的正逆变换，在很宽的频域范围内做到线性是非常困难的。
为了便于分析，用诺顿等效电路图5.55来替代。由于参考电平下的电流=Vs / (2×50)Ω见图，所以诺顿等效短路电流 Vs / 50Ω =2INM。
由诺顿等效电路输入的电流方式判定，它不是纯共模方式也不是纯差模方式，为了进一步分析，我们将图5.55变换成图5.56共模和差模相结合的电路。这里共模输入电流为2INM，共模的源和负载阻抗都是25Ω；差模输入电流为INM，差模的源和负载阻抗都是100Ω。当滤波器的插入损耗为0dB时，可分别分解为共模和差模参考电路见图5.57和图5.58。常模参考电平VNM=INM×50Ω，所以共模成份的参考电平VCNM和差模成份的参考电平VDNM均为： VCNM=VDNM=1/2INM×50Ω=1/2 VNM。因此常模含有差模成分，但不等于差模。
4. 0.1Ω/100Ω阻抗测量方法
上述测量方法又称为50Ω/50Ω系统测量方法，即源和负载阻抗均为在50Ω匹配的条件下测量的。它是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗）不可能是恒定的50Ω，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用50Ω/50Ω系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。
为此，CISPR出版物4.2.2.2部分提出一种近似的方法，即0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统测量方法。见图5.59。
这里基本上涉及10kHz~1MHz范围内的共模插入损耗，在以上频率范围内可供给近似实际干扰场合的参数。
图5.60(a)、(b)分别给出夏弗纳（瑞士）公司产品FN9223-3，FN223-3，在0.1Ω/100Ω（曲线B）及100Ω/0.1Ω（曲线C）系统测量的共模和差模插入损耗曲线。为了对比也给出了50Ω/50Ω（曲线A）系统的测量曲线。显然0.1Ω/100Ω或100Ω/0.1Ω系统的测量曲线变弯曲了，性能也普遍下降了。
从Electromagnetic Compossiblity查阅到，美国公布的有关共模阻抗和常模阻抗资料。
图5.61是共模阻抗资料，其中(a)表示1kHz~10MHz范围内电网源阻抗低限和高限的变化范围，它们都用对数坐标表示，所以频率“3”表示1kHz、“7”表示10MHz，频率单位为Hz，阻抗（实部）单位为Ω，阻抗（实部）最低限为0.1Ω、最高限为178Ω。(b)表示1kHz~10MHz范围内各类典型容性负载阻抗低限和高限的变化范围。其中最低限为7Ω、最高限为10kΩ。(a)、(b)中阻抗（虚部）单位为Q值，+j表示感性、-j表示容性。
图5.62是常模阻抗资料，同样(a)表示1kHz~10MHz范围内电网源阻抗低限和高限的变化范围（虚线限是专为非常高的电流输出所设）。其中最低限为0.25Ω、最高限为316Ω。(b)表示1kHz~10MHz范围内负载阻抗的变化情况，其中顶部虚线限为高压低电流电源负载；中间范围属于马达、电视等设备负载；低限由高电流设备负载决定。最低限约为1Ω、最高限（实线）为760Ω。顶部最高限（虚线）为5kΩ。同样(a)、(b)中阻抗（虚部）单位为Q值，+j代表感性、-j代表容性。
从トテソツスタ技术查阅到J.H.BUII（英）测定10kHz~10MHz范围内的电网阻抗特性，见图5.63(a)。阻抗最小值约2.5Ω、最大值为400Ω。由特性曲线看到发生多处共振现象，它的上升区是感性的。资料中也给出了500kHz~50MHz范围内的负载阻抗，见图5.63(b)。阻抗最小值约120Ω、最大值10kΩ，同样曲线也发生多处共振现象。
通过对以上各种资料的展示和分析，我们可以认为50Ω/50Ω系统的测量结果，只能代表一种静态特性（理想特性）。而实际的源和负载阻抗是动态的，且交替呈现感性和容性特性。0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统是一种近似表示的测量方法。
5. 脉冲噪声衰减特性的测量
电磁噪声按时域特性可划分为五种：脉冲噪声、连续噪声、准脉冲噪声、随机噪声和喀呖声。脉冲噪声是主要由开关操作引起的噪声，它的衰减特性测量电路如图5.64所示。这两种测量方法的不同之处是：前者的衰减特性用转移电压比峰值表示（滤波器输入电压与输出电压之比），而后者用插入损耗表示（有效值）；前者的噪声源是脉冲模拟发生器（浪涌模拟发生器等等），而后者是标准信号发生器或频谱分析仪的跟踪源所产生的连续正弦波；前者的限值基本上还没有国际统一的认可标准，如脉冲噪声的宽度有的取800n.s，有的取1μs等，而后者的限值有国际的认可标准。图5.65是（日）东北金属公司部分产品的脉冲衰减特性。
5.8 EMI滤波器标准和测量方法
5.8.1 标准
我国所有标准化工作都在国家技术监督局标准化司领导下进行，为对应CISPR的工作，于1986年成立全国无线电干扰标准化技术委员会CTCSRI，我国的电磁兼容标准绝大多数引自国际标准。其来源包括：
引自国际无线电干扰特别委员会(CISPR)出版物。例如：GB/T 6113，GB14023，GB15707，GB16607等等。
引自国际电工委员会(IEC)标准。例如GB4365，GB/13926。
部分引自美国军方标准(MIL-SDT-XXX)。例如GB15540。
部分引自国际电信联盟(ITU)有关文件。例如GB/15658。
引自国外先进标准。例如GB6833。
根据我国自己的科研成果制定的标准。大量的系统间电磁兼容性标准均属于此类，例如GB6364，GB13613，等。也包括CISPR正在讨论的类似问题，根据我国国情自行制定的国家标准，例如GB/T15708，GB/T15709等。
1. 标准限值的规定方法
由于电磁兼容问题的复杂性，因而在理论研究的同时，测量占有突出的重要地位。
而贯彻执行有关标准，进行产品的电磁兼容认证，唯一的衡量标准就是测试数据。
但无论从时域还是从频域研究电磁噪声，其波形或频谱大都是十分复杂的，如何用具体数据去反映这些电磁现象，是在标准制定中必须解决的问题，否则就无法规定限值。
一般采用三种方法规定。
1) 严格规定电压或电流的时域波形。限值规定了该波形的某一特定点（经常是峰值）数值。此种方法常用于抗扰性测试。例如：GB/T13926.2-1992（静电放电），GB/T13926.4-1992（电快速脉冲群）等。
2) 喀呖声(Click)。干扰分析仪可以从宏观上评定由开关操作引起的电磁噪声幅度，发生率和持续时间，而不仔细记录和区分其波形的细节。这就是非连续性电磁噪声。
3) 连续性或非连续性（但不是喀呖声）电磁噪声。对于此类电磁骚扰的测试，也是不仔细分析其时域或频域的细节，而是通过某种特定的检波器检波后，给出该噪声某个特征值。常用特征值有：峰值：这种检波器给出电磁噪声的峰值。峰值测量适用于脉冲噪声的测试；平均值：这种检波器被设计成指示检波前信号包络的平均值。平均值检波对脉冲噪声的响应不敏感，所以不适合测量脉冲噪声；均方根值：这种检波器被设计成指示被测骚扰的均方根值。所以其测量值与功率有良好的相关性；准峰值：特点是既可反映脉冲骚扰的幅度也可反映其重复频率特征。并且其电平与人类的听觉对脉冲型干扰的主观感觉强度有很大的相关性。一般情况下在标准中如不特别注明，所有的限值均以准峰值表示。
2. EMI滤波器的标准
遗憾的是目前我国EMI滤波器尚没有产品类国标，有的只是企业标准。美军有EMI滤波器标准，如MIL-F-15733、MIL-F28861、MIL-F18327等。
5.8.2 插入损耗的测量方法
根据MIL-STD-220A或CISPR17出版物4.1提出的滤波器标准测量方法。
1. 共模插入损耗的典型测量方法如图5.52所示。
根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50Ω上的电压V1作为0dB的参考电压。再测量有滤波器后，负载50Ω上的电压V2，通过频谱分析仪将20log(V1/V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。注意测量时，滤波器的输入端和输出端是并联的。目的是取得共模插入损耗的平均值，同时也减少了测量次数。因为滤波器的Cy 电容量尽管标称值一样，但存在制造误差，电感尽管绕组匝数一样，但磁芯存在磁导率误差以及工艺很难在绕制和装配时完全对称，因此平均值才有意义。
2. 差模插入损耗的测量方法如图5.53所示。
由于频谱分析仪（或标准信号发生器）输出，输入采用50Ω同轴电缆的非对地对称结构，为了测量对地对称的差模插入损耗，需对频谱分析仪跟踪发生器的输出信号（滤波器的输入信号）进行不对称-对称变换，对频谱分析仪输入信号（滤波器的输出信号）进行对称-不对称的逆变换，其他步骤同上。
用以上共、差模插入损耗的测量方法时需注意：
1) 由于测量仪器输出信号幅值在不同的频率有波动，所以0dB的校正（没插入滤波器前）应该对所测频域的各主要频点逐点进行校对。当然应包含不对称-对称和对称-不对称的变换在内。具备条件的，可进行计算机编程进行自动校正。
2) 被测滤波器外壳应该接地良好，否则MHz以上测得的插入损耗相差很大。
3) 要确保滤波器输入，输出连接线之间有良好的隔离，以避免它们之间在高频段产生射频耦合，给高频段测量带来很大的误差。
4) 没有频谱分析仪，也可以用标准信号发生器和示波器来代替，但后者动态范围小，所以在高频段的测量误差较大。
3. 常模插入损耗的测量方法如图5.54所示。
常模(Normal mode)也是经常用来表示差模的一种方法，尽管它除了含有差模的成分外，还含有共模的成分，也许是因为常模测量方法容易实现的缘故。因为不对称-对称的正逆变换，在很宽的频域范围内做到线性是非常困难的。
为了便于分析，用诺顿等效电路图5.55来替代。由于参考电平下的电流=Vs / (2×50)Ω见图，所以诺顿等效短路电流 Vs / 50Ω =2INM。
由诺顿等效电路输入的电流方式判定，它不是纯共模方式也不是纯差模方式，为了进一步分析，我们将图5.55变换成图5.56共模和差模相结合的电路。这里共模输入电流为2INM，共模的源和负载阻抗都是25Ω；差模输入电流为INM，差模的源和负载阻抗都是100Ω。当滤波器的插入损耗为0dB时，可分别分解为共模和差模参考电路见图5.57和图5.58。常模参考电平VNM=INM×50Ω，所以共模成份的参考电平VCNM和差模成份的参考电平VDNM均为： VCNM=VDNM=1/2INM×50Ω=1/2 VNM。因此常模含有差模成分，但不等于差模。
4. 0.1Ω/100Ω阻抗测量方法
上述测量方法又称为50Ω/50Ω系统测量方法，即源和负载阻抗均为在50Ω匹配的条件下测量的。它是目前许多滤波器制造商传统沿用的测量方法。在实际情况，由于源阻抗和负载阻抗（设备的阻抗）不可能是恒定的50Ω，所以实际获得的滤波器插入损耗特性与用50Ω/50Ω系统测量获得的滤波器插入损耗特性不会相同。
为此，CISPR出版物4.2.2.2部分提出一种近似的方法，即0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统测量方法。见图5.59。
这里基本上涉及10kHz~1MHz范围内的共模插入损耗，在以上频率范围内可供给近似实际干扰场合的参数。
图5.60(a)、(b)分别给出夏弗纳（瑞士）公司产品FN9223-3，FN223-3，在0.1Ω/100Ω（曲线B）及100Ω/0.1Ω（曲线C）系统测量的共模和差模插入损耗曲线。为了对比也给出了50Ω/50Ω（曲线A）系统的测量曲线。显然0.1Ω/100Ω或100Ω/0.1Ω系统的测量曲线变弯曲了，性能也普遍下降了。
从Electromagnetic Compossiblity查阅到，美国公布的有关共模阻抗和常模阻抗资料。
图5.61是共模阻抗资料，其中(a)表示1kHz~10MHz范围内电网源阻抗低限和高限的变化范围，它们都用对数坐标表示，所以频率“3”表示1kHz、“7”表示10MHz，频率单位为Hz，阻抗（实部）单位为Ω，阻抗（实部）最低限为0.1Ω、最高限为178Ω。(b)表示1kHz~10MHz范围内各类典型容性负载阻抗低限和高限的变化范围。其中最低限为7Ω、最高限为10kΩ。(a)、(b)中阻抗（虚部）单位为Q值，+j表示感性、-j表示容性。
图5.62是常模阻抗资料，同样(a)表示1kHz~10MHz范围内电网源阻抗低限和高限的变化范围（虚线限是专为非常高的电流输出所设）。其中最低限为0.25Ω、最高限为316Ω。(b)表示1kHz~10MHz范围内负载阻抗的变化情况，其中顶部虚线限为高压低电流电源负载；中间范围属于马达、电视等设备负载；低限由高电流设备负载决定。最低限约为1Ω、最高限（实线）为760Ω。顶部最高限（虚线）为5kΩ。同样(a)、(b)中阻抗（虚部）单位为Q值，+j代表感性、-j代表容性。
从トテソツスタ技术查阅到J.H.BUII（英）测定10kHz~10MHz范围内的电网阻抗特性，见图5.63(a)。阻抗最小值约2.5Ω、最大值为400Ω。由特性曲线看到发生多处共振现象，它的上升区是感性的。资料中也给出了500kHz~50MHz范围内的负载阻抗，见图5.63(b)。阻抗最小值约120Ω、最大值10kΩ，同样曲线也发生多处共振现象。
通过对以上各种资料的展示和分析，我们可以认为50Ω/50Ω系统的测量结果，只能代表一种静态特性（理想特性）。而实际的源和负载阻抗是动态的，且交替呈现感性和容性特性。0.1Ω/100Ω及100Ω/0.1Ω系统是一种近似表示的测量方法。
5. 脉冲噪声衰减特性的测量
电磁噪声按时域特性可划分为五种：脉冲噪声、连续噪声、准脉冲噪声、随机噪声和喀呖声。脉冲噪声是主要由开关操作引起的噪声，它的衰减特性测量电路如图5.64所示。这两种测量方法的不同之处是：前者的衰减特性用转移电压比峰值表示（滤波器输入电压与输出电压之比），而后者用插入损耗表示（有效值）；前者的噪声源是脉冲模拟发生器（浪涌模拟发生器等等），而后者是标准信号发生器或频谱分析仪的跟踪源所产生的连续正弦波；前者的限值基本上还没有国际统一的认可标准，如脉冲噪声的宽度有的取800n.s，有的取1μs等，而后者的限值有国际的认可标准。图5.65是（日）东北金属公司部分产品的脉冲衰减特性。
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