傳導發射內涵與仿真案例分析

郭軍朝 屈新田 孫平 林建陽

摘要：從傳導發射基本概念出發，介紹仿真方法在產品開發各階段的作用，詳細描述電源線內差模噪聲和共模噪聲的產生機理和抑制方法，剖析線路阻抗穩定網絡（line impedance stabilizationnetwork，LISN）在傳導發射測試與仿真中的特征和用途。通過簡要介紹Boost開關電源、電機控制器和電動助力轉向（electric power steering，EPS）系統控制器傳導發射等3個案例，深度研究濾波網絡對傳導發射特性的影響，剖析H橋驅動電路傳導發射噪聲仿真值、測試值與平均限值之間的誤差及其產生原因。該傳導發射噪聲基本理論和相關案例分析可為產品相關特性分析提供思路。

關鍵詞：傳導發射;差模噪聲;共模噪聲

中圖分類號：TP391.92;TM937.4文獻標志碼：B

0 引言

傳導發射是指系統內部的電壓或電流通過信號電纜、電源線或地線傳輸出去，成為其他系統或設備干擾源的一種電磁現象。傳導發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 傳導發射仿真方案

當制造出產品樣機后，對樣機進行仿真（即前仿真）有助于發現產品設計中隱藏的電磁兼容問題，還可節省開發成本。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品開發的各個階段，不同階段仿真的目的不同。針對產品的傳導發射，可以直接對原理圖的電源線傳導發射測試特性進行仿真，也可以運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，然后再導人三維模型進行系統仿真，因此可以得到更準確的傳導發射特性，并且可以對比仿真數據與測試數據，標定仿真模型。

電源線傳導發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注的問題。仿真分析開關電源時不能完全照搬整個實際樣機。毫無關系的保護電路無需被考慮進去，保護電路只有在過流保護時才起作用，產品正常工作時保護電路不工作，此時需要提取最重要的部分進行仿真分析。傳導發射仿真方法可以在產品開發的需求分析和設計階段進行，避免樣機出現多次傳導發射測試的成本消耗。

2 電源線內的噪聲

2.1 傳導噪聲

噪聲源出現在電源線上，與電源線串聯并且噪聲電流與電源電流方向相同，即為差分模式。因為輸出電流與返回電流方向相反，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，經過大地后返回到電源線形成的噪聲，稱為共模噪聲。因為電源正（+）和負（-）側的噪聲電流具有相同的方向，所以電源線上不會出現噪聲電壓。共模噪聲原理示意見圖3。

上述噪聲即為傳導發射噪聲。因為噪聲電流在電源線中流動，所以會產生輻射。

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的距離;f為電流噪聲頻率;s為電流環路面積。

差模噪聲會被噪聲電流環路放大，因此環路區域面積5是重要因素。根據式（1）和圖4可知，如果其他參數恒定，那么環路面積越大輻射電場強度越高。

在實際案例中，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 輻射定量計算

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

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

3 人工網絡與傳導發射

人工電源網絡是重要的電磁兼容測試設備，又稱為線路阻抗穩定網絡（line impedance stabilizationnetwork，LISN），主要用于開關電源的傳導發射測試。一般而言，LISN既可以防止電網對電源的噪聲，也可以防止電源對電網的噪聲，因此在進行傳導噪聲測試時可以為電磁干擾（electromagneticinterference，EMI）接收機提供穩定的歸一化阻抗，阻抗標準為50Ω。

3.1 單個線性阻抗穩定網絡

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

當端接傳導干擾測量儀時，儀器內部標準阻抗為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噪聲電壓。

3.2 雙線性阻抗穩定網絡

雙線性阻抗穩定網絡（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接收機的探測點和電源等組成。

LISN輸入端的50uH電感用于防止電網噪聲，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和PCB的寄生參數傳導。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 控制器傳導發射仿真案例

電動助力轉向（electric power steering，EPS）系統控制器傳導發射屬于汽車零部件電磁兼容研究的內容。為仿真分析其傳導發射特性，需要重點研究控制器的H橋驅動網絡。

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傳導發射特性，搭建的傳導發射電路模型見圖10。該模型主要包括LISN電路、4個MOS管（采用壓控開關代替）、線性電機（等效為電感和電阻串聯）、4個端口（測試數據輸入）等構成。

運用仿真和測試2種方式分析EPS系統控制器的傳導發射噪聲，得到其平均限值、仿真值和實測值隨頻率的變化，見表1。由此可知，傳導發射在低頻段（0.5-10.0MHz）內可以較好地擬合實測數據，高頻段（10MHz以上）的誤差較大。這主要是由MOS管采用壓控開關等效、助力電機采用線性等效電路模型、忽略PCB板上高頻網絡等因素導致的。

5 結束語

在闡述傳導發射概念的基礎上簡要介紹仿真方法在產品開發各階段的作用，并且詳實描述電源線內差模噪聲與共模噪聲的產生和抑制方法，剖析LISN網絡在傳導發射測試和仿真中所具備的特征和用途。通過介紹某EPS系統控制器傳導發射的案例，深度研究有、無濾波網絡對傳導發射特性的影響，同時也剖析H橋驅動電路傳導發射噪聲仿真值、實測值與平均限值之間的誤差及其產生原因。本文所述傳導發射基本理論和相關案例為分析所開發產品的傳導發射特性提供思路。