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本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)廠家的兩款電源濾波器GCXDD5-6、A1KL，分別采用端接50Ω純電阻負(fù)載和端接射頻變壓器的方式對(duì)差模插入損耗參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，分析兩種端口匹配方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，找到一種更優(yōu)的測(cè)試方法。

 

電源濾波器一般是由電感、電容、電阻等無源元件組成的無源網(wǎng)絡(luò)，是一種低通濾波器，工作頻段一般在10Hz～50MHz，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和系統(tǒng)中。電源濾波器的主要作用是抑制電源產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止EMI信號(hào)干擾設(shè)備中的敏感器件，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定、不失真。EMI包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，屏蔽是抑制輻射最好的方法，而傳導(dǎo)干擾的抑制要通過電源濾波器的共模和差模電路實(shí)現(xiàn)。評(píng)估電源濾波器濾波性能的主要指標(biāo)是共模插入損耗和差模插入損耗。目前差模插入損耗的測(cè)試沒有統(tǒng)一的方法，不同的端口匹配方式會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的差異，不利于測(cè)試結(jié)果的判定。

 

電源濾波器差模插入損耗性能評(píng)估方法

 

01.電源濾波器工作原理及評(píng)估方法

 

圖1是一款單相交流電源濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)圖。它是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)。圖中的L1、L2是共模電感（又稱共模扼流圈），L1和Cy1、L2和Cy2分別構(gòu)成了L-E（即L線-地）、N-E（即N線-地）兩端口低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娫瓷洗嬖诘墓材MI信號(hào)起到抑制作用。由于磁環(huán)材料的非絕對(duì)均勻、線圈繞制的非絕對(duì)對(duì)稱，造成L1、L2的電感量不一致,而L1與L2的差形成了差模電感，這個(gè)差模電感與Cx構(gòu)成了L-N（L線-N線）的差模濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄娫瓷洗嬖诘牟钅MI信號(hào)起到抑制作用。

 

圖1. 單相交流電源濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

 

評(píng)估電源濾波器的傳導(dǎo)干擾、輻射干擾的抑制性能時(shí)，通常包括器件級(jí)評(píng)估、板級(jí)評(píng)估及整機(jī)級(jí)評(píng)估。后兩種評(píng)估需要EMC實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不在本文的討論范圍。本文主要對(duì)電源濾波器器件級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行探討，考慮空載時(shí)插入損耗參數(shù)的測(cè)試情況。共模插入損耗測(cè)試方法采用輸入端短接、輸出端短接再分別連接信號(hào)源與接收機(jī)，不用特別考慮匹配問題，因此不作為本文的主要研究?jī)?nèi)容。本文主要對(duì)差模插入損耗測(cè)試時(shí)如何進(jìn)行端口匹配進(jìn)行探討，重點(diǎn)研究端口的匹配方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

 

美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)制定的IEEE Std 1560-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了100Hz~10GHz射頻干擾濾波器的測(cè)試方法。國(guó)內(nèi)對(duì)于器件級(jí)電源濾波器的測(cè)試主要有GB/T 7343-2017，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差模插入損耗的測(cè)試方法，“通過隔離變壓器對(duì)每?jī)筛斎刖€及對(duì)應(yīng)的輸出線進(jìn)行測(cè)量，所有未使用的線都不端接,變壓器的匝數(shù)比為1:1”，該標(biāo)準(zhǔn)采用端接1:1變壓器的方式。國(guó)內(nèi)很多廠家在進(jìn)行差模插入損耗測(cè)試時(shí)，采用端接50Ω純電阻負(fù)載的方式。因此針對(duì)電源濾波器分別采用端接1:1變壓器和端接50Ω純電阻負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，分析不同端口匹配方式對(duì)結(jié)果的影響。

 

02.電源濾波器差模插入損耗測(cè)試試驗(yàn)

 

空載的狀態(tài)下，保證源阻抗和負(fù)載阻抗為50Ω/50Ω，分別采用端接50Ω純電阻負(fù)載和端接射頻變壓器的方式對(duì)電源濾波器的差模插入損耗進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)用50Ω純電阻負(fù)載采用普通的色環(huán)電阻。射頻變壓器采用貴陽順絡(luò)迅達(dá)公司的RFT4042A-1/1，頻率范圍：1～600MHz，50Ω阻抗匹配的1:1變壓器。

 

選取國(guó)內(nèi)廠家的兩款電源濾波器，一款為直流電源濾波器，型號(hào)為GCXDD5-6；另一款為單相交流電源濾波器，型號(hào)為A1KL。兩款電源濾波器的差模技術(shù)指標(biāo)如下表1和表2所示。

 

表1. 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗技術(shù)指標(biāo)

 

 

表2. 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗技術(shù)指標(biāo)

 

 

 

1）端接50Ω純電阻負(fù)載

 

①測(cè)試原理圖見圖2。

 

圖2. 端接50Ω純電阻負(fù)載的測(cè)試原理圖

 

②測(cè)試結(jié)果：

 

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負(fù)端接50Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見表3。

 

表3. 直流電源濾波器GCXDD5-6差模插入損耗測(cè)試結(jié)果--端接50Ω電阻

 

 

 

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負(fù)端接50Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見表4。

 

表4. 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗測(cè)試結(jié)果--端接50Ω電阻

 

2）端接射頻變壓器

 

①測(cè)試原理圖3。

 

圖3. 端接射頻變壓器的測(cè)試原理圖

 

②測(cè)試結(jié)果：

 

直流電源濾波器GCXDD5-6在輸入、輸出負(fù)端接射頻變壓器時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見表5。

 

表5. GCXDD5-6差模插入損耗測(cè)試結(jié)果--端接射頻變壓器

 

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負(fù)端接50Ω電阻時(shí)，差模插入損耗測(cè)試結(jié)果見表6。

 

表6. 單相交流電源濾波器A1KL差模插入損耗測(cè)試結(jié)果--端接射頻變壓器

 

03.端接50Ω純電阻與端接射頻變壓器的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

 

1）直流電源濾波器GCXDD5-6測(cè)試結(jié)果比對(duì)

 

直流電源濾波器GCXDD5-6端接50Ω電阻與端接射頻變壓器差模插入損耗的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖4。

 

圖4. GCXDD5-6兩種端接方式測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比

 

通過圖4可以看到，對(duì)于GCXDD5-6直流電源濾波器差模插入損耗測(cè)試時(shí)采用端接射頻變壓器的方式在全頻段（0.01MHz～30MHz）結(jié)果小于端接50Ω電阻的方式。隨著頻率升高，端接射頻變壓器的插入損耗測(cè)試結(jié)果與端接50Ω電阻相比，差距越來越大，從7dB擴(kuò)大到20 dB。

 

2）單相交流電源濾波器A1KL測(cè)試結(jié)果比對(duì)

 

單相交流電源濾波器A1KL端接50Ω電阻與端接射頻變壓器測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比見圖5。

 

圖5. A1KL兩種端接方式測(cè)試差模插入損耗的結(jié)果對(duì)比

 

通過圖5可以看到，對(duì)于A1KL單相交流電源濾波器差模插入損耗測(cè)試時(shí)，在1MHz以下頻段，插入損耗測(cè)試結(jié)果為：端接50Ω電阻的方式小于端接射頻變壓器的方式，相差在2～7 dB左右。隨著頻率升高差距逐漸縮小，1MHz以上頻段出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，端接射頻變壓器的方式小于端接50Ω電阻，相差在6～17dB左右。

 

3）小結(jié)

 

插入損耗是評(píng)估電源濾波器濾波性能的重要指標(biāo)，不論設(shè)計(jì)者還是使用方都希望插入損耗越小越好。實(shí)際插入損耗的測(cè)試結(jié)果為負(fù)值，為了便于分析、計(jì)算，上文表格中的插入損耗值均為取絕對(duì)值后的結(jié)果。

 

通過差模插入損耗測(cè)試結(jié)果比對(duì)，我們可以看到：對(duì)于直流電源濾波器，端接射頻變壓器的測(cè)試結(jié)果明顯優(yōu)于端接50Ω電阻。整個(gè)頻段，兩種端接方式相差7～20dB；對(duì)于交流電源濾波器，低頻段（1MHz以下）端接50Ω電阻優(yōu)于端接射頻變壓器，高頻段（1MHz以上）端情況相反。整體來看，對(duì)于電源濾波器采用端接射頻變壓器的方式測(cè)試差模插入損耗，測(cè)試結(jié)果更加理想。

 

結(jié)  論

 

以上試驗(yàn)是在空載的情況下進(jìn)行的，目的是搭建阻抗匹配網(wǎng)路，對(duì)單個(gè)電源濾波器的濾波性能進(jìn)行快速評(píng)估。電源濾波器實(shí)際工作時(shí)，源阻抗和負(fù)載阻抗不一定是50Ω，這時(shí)構(gòu)建的50Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將不再適用，需要根據(jù)阻抗失配的具體情況進(jìn)行分析、評(píng)估。另外電源濾波器的安裝方式對(duì)性能指標(biāo)也有很大影響，如果應(yīng)用或安裝不當(dāng)，還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低插入損耗。因此當(dāng)電源濾波器安裝完成后需要在EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，通過傳導(dǎo)干擾及輻射抗擾度指標(biāo)衡量整機(jī)的EMC性能是否符合要求。