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

 

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，防止EMI信號干擾設(shè)備中的敏感器件，保證信號傳輸穩(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現(xiàn)。評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試沒有統(tǒng)一的方法，不同的端口匹配方式會造成測試結(jié)果的差異，不利于測試結(jié)果的判定。

 

電源濾波器差模插入損耗性能評估方法

 

01.電源濾波器工作原理及評估方法

 

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信號起到抑制作用。由于磁環(huán)材料的非絕對均勻、線圈繞制的非絕對對稱，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

 

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

 

美國電氣電子工程師學(xué)會制定的IEEE Std 1560-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了100Hz~10GHz射頻干擾濾波器的測試方法。國內(nèi)對于器件級電源濾波器的測試主要有GB/T 7343-2017，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差模插入損耗的測試方法，“通過隔離變壓器對每兩根輸入線及對應(yīng)的輸出線進行測量，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。國內(nèi)很多廠家在進行差模插入損耗測試時，采用端接50Ω純電阻負載的方式。因此針對電源濾波器分別采用端接1:1變壓器和端接50Ω純電阻負載進行測試，分析不同端口匹配方式對結(jié)果的影響。

 

02.電源濾波器差模插入損耗測試試驗

 

空載的狀態(tài)下，保證源阻抗和負載阻抗為50Ω/50Ω，分別采用端接50Ω純電阻負載和端接射頻變壓器的方式對電源濾波器的差模插入損耗進行測試，記錄測試結(jié)果。實驗用50Ω純電阻負載采用普通的色環(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。

 

選取國內(nèi)廠家的兩款電源濾波器，一款為直流電源濾波器，型號為GCXDD5-6；另一款為單相交流電源濾波器，型號為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純電阻負載

 

①測試原理圖見圖2。

 

圖2. 端接50Ω純電阻負載的測試原理圖

 

②測試結(jié)果：

 

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

 

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

 

 

 

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

 

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

 

2）端接射頻變壓器

 

①測試原理圖3。

 

圖3. 端接射頻變壓器的測試原理圖

 

②測試結(jié)果：

 

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

 

表5. GCXDD5-6差模插入損耗測試結(jié)果--端接射頻變壓器

 

單相交流電源濾波器A1KL在輸入負端接50Ω電阻時，差模插入損耗測試結(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試結(jié)果對比

 

1）直流電源濾波器GCXDD5-6測試結(jié)果比對

 

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試結(jié)果對比見圖4。

 

圖4. GCXDD5-6兩種端接方式測試差模插入損耗的結(jié)果對比

 

通過圖4可以看到，對于GCXDD5-6直流電源濾波器差模插入損耗測試時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試結(jié)果與端接50Ω電阻相比，差距越來越大，從7dB擴大到20 dB。

 

2）單相交流電源濾波器A1KL測試結(jié)果比對

 

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

 

圖5. A1KL兩種端接方式測試差模插入損耗的結(jié)果對比

 

通過圖5可以看到，對于A1KL單相交流電源濾波器差模插入損耗測試時，在1MHz以下頻段，插入損耗測試結(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)

 

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

 

通過差模插入損耗測試結(jié)果比對，我們可以看到：對于直流電源濾波器，端接射頻變壓器的測試結(jié)果明顯優(yōu)于端接50Ω電阻。整個頻段，兩種端接方式相差7～20dB；對于交流電源濾波器，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，對于電源濾波器采用端接射頻變壓器的方式測試差模插入損耗，測試結(jié)果更加理想。

 

結(jié)  論

 

以上試驗是在空載的情況下進行的，目的是搭建阻抗匹配網(wǎng)路，對單個電源濾波器的濾波性能進行快速評估。電源濾波器實際工作時，源阻抗和負載阻抗不一定是50Ω，這時構(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行分析、評估。另外電源濾波器的安裝方式對性能指標(biāo)也有很大影響，如果應(yīng)用或安裝不當(dāng)，還可能遠遠小于標(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實驗室進行整機測試，通過傳導(dǎo)干擾及輻射抗擾度指標(biāo)衡量整機的EMC性能是否符合要求。