一种传导EMI及其共/差模分离的时域测量方法

刘鹏，刘庆想，张政权，李伟，王庆峰

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都610031)

一种传导EMI及其共/差模分离的时域测量方法

刘鹏，刘庆想，张政权，李伟，王庆峰

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都610031)

介绍了一种时域测量传导电磁干扰的方法，讨论了它相对于传统测量方法的优势及其适用性，提出可以将加窗插值算法应用在离散时域数据点的离散傅里叶分析上，用以改善频谱分析中的频谱泄露和栏栅效应，还原较准确的幅度谱。在时域测量中，不需要增加硬件的共模/差模分离器便能实现共模、差模的分离。整个测量过程耗时少，大量的数据处理是在个人计算机中借助软件完成的，使数据分析变得灵活和方便。应用这种方法对一台充电电源电源线上的传导电磁干扰(EMI)进行了测量，验证了此方法的可行性。

传导电磁干扰；时域测量；共模；差模；加窗插值

近年来，随着电力电子装置的广泛应用，电磁污染问题日益严重。电磁干扰(EMI)主要分为两大类：辐射EMI和传导EMI。传导EMI是通过电缆线向外传播或引进从而引发的电磁污染。一般来说，研发人员会设计一个EMI滤波器来消除电子设备（如一个开关电源）产生的传导EMI。EMI的产生跟分布参数有着较大的关系，对于电磁干扰量很难进行理论分析及仿真，因此必须对电子设备进行EMI测量。再者，由于EMI中共模干扰和差模干扰的产生机理、耦合路径不同，需要分别对两种滤波器进行设计，也就是说把共模/差模分离开来进行测量，这对于滤波器设计来说具有重要意义。关于EMI的测量及限值，相关标准和法规都有规定。以国际无线电干扰特别委员会(CISPR)为例，CISPR规定传导EMI的测量频率范围为150 kHz～30 MHz。本文讨论了滤波器设计下传统EMI测量方法与时域EMI测量方法的优缺点及适用性，介绍了一种简单的EMI预测量系统，提出将加窗插值快速傅里叶变换(FFT)算法用于数据处理，得到想要的EMI信息，为滤波器的设计提供依据。

1 传统EMI测量系统与新型时域方法

传统EMI的基本测量组件有：被测设备、人工电源网络或称为线路阻抗稳定网络(LISN)、频谱分析仪或EMI接收机。严格的EMI测量对测量环境也有相应要求。

对于EMI而言，我们关心的是其频域信息，因此最终得到的是在一定频率范围内的幅度谱。频谱分析仪是其核心设备，它采用扫频方式，逐点扫描得到各自频点上的幅度信息。一直以来，研发工程师在进行传导EMI测量时首先想到的便是频谱分析仪，值得注意的是，这也是几乎所有国际标准的要求。如果相关产品想进入市场，国家EMC认证下的传导EMI测量会有非常严格的要求。欧标和国标对于传导EMI的规定都来自于CISPR 16号文件。严格的EMI测试需要专门的场地和较多的资金投入，同时进入市场的产品有国家专门部门或大企业内部测试，并不需要每个实验室或研发机构具备如此严格的测试能力。但在研究开发阶段，确实需要知道电磁干扰量，这时可以用更方便的时域数字处理的方法得到EMI频谱。

与传统测量方法相比，时域方法的优点有：（1）时域系统易搭建，只要求三种基本性能指标：采样率、模数转换能力、数字存储能力。一般的数字存储示波器都可以采集到有意义的信号，示波器又是目前比较通用的设备，而频谱分析仪可能有些地方没有，且价格并不便宜。（2）测量时间上，时域方法几乎是在稳定运行后几个毫秒内完成的，主要时间花在数据处理上，最多花费几分钟，而较快的频谱分析仪需要十几分钟才能完成扫频工作，再加上频谱分析仪往往是单通道的，几条路线测试完需要更多的时间。（3）研究传导EMI时，需要把共模、差模信号分离，而传统的频谱分析仪测量系统忽略了相位信息，且单通道输入，没有办法分离共/差模，因此还需要一个共/差模分离器[1-2]，如一个功分器或变压器噪声分离器，而采用时域的方法可以几路同时输入进行相加相减以分离共模、差模信号。文献[3-4]描述了时域方法的可行性。

2 数据信息处理

2.1 共模和差模噪声的时域分离

示波器通过采样和模数转换把波形转换成数字信号，并储存在记忆体中。

传导EMI根据传播路径可分为两种：差模干扰和共模干扰。差模EMI的传播发生在导线对之间，它形成了传统的回路，比如相线和中线之间或相线之间。共模EMI发生在一组导线和地之间，能量是通过大地作为返回路径的。共模EMI的路径常常包括了寄生电容或耦合电感。这种分类对于滤波器的设计意义重大。

标准的规定是以LISN中50Ω电阻上的电压降为依据衡量传导干扰大小的。以三相电为例，在三相电中各相线上的干扰可写成如下形式：

再将上述三路信号和差模、共模信号变换到频域里，就得到了各自的频谱信息。

2.2 加窗插值算法用于频谱分析

从示波器得到的原始数据是三组时域离散信号，可以通过离散傅里叶变换(DFT)得到其频域变换。

FFT是离散傅里叶变换的一种快速算法，采用这种算法能使计算机计算DFT所需要的计算量大为减少，易于实现。本文正是在计算机中采用FFT实现的频域变换。

经过FFT后的频谱信息会与实际的频谱信息有误差，影响了测量的准确性。这些误差本质上是由于频谱序列的离散性和时间的有限截断（不再从负无穷到正无穷），也就是栏栅效应和频谱泄露效应。由式(8)可以看出，DFT后的频谱是离散的点（即存在频率分辨率）。事先并不知道传导EMI的尖峰值在哪个频点上，可能失去这个点上的尖峰值，这就是栏栅效应。而频谱泄露效应指的是，时间截断后就好像在时域里加了一个矩形窗，而窗函数在频域里存在旁瓣，使得频谱变宽。通过增加采样点或补零可以改善这些误差影响，但是考虑到不可能无限地增加数据点和计算量，此方法的作用很有限。可以选择合适的窗函数来抑制频率泄露，再根据所选窗函数的形式对频率、相位和幅值进行插值修正，可在一定程度上弥补栏栅效应。文献[5-6]给出了加窗和插值修正算法的研究成果。

常用的窗函数有矩形窗、海明窗、汉宁窗、布莱克曼窗等等。选择窗的原则是主瓣能量集中，旁瓣快速衰减，但这两者很难同时较好地满足。海明窗是一种比较合适的窗，本文就是选择海明窗。海明窗的表达式为：

加窗后：

双峰谱线插值算法可以较好地弥补栏栅效应，其原理简述如下。峰值频率0=0Δ很难正好位于离散谱线频点上，也就是说0一般不是整数。设峰值点左右两侧的谱线分别为第1和2条谱线，并且这两条谱线上的峰值点分别为1和2。引入辅助参数α=0－1－0.5，那么1和2都可以用α来表示。继续引入辅助参数=(2－1)/(2+1)，当较大时，有函数=(α)，其反函数记为α=－1()。计算α=－1()可用多项式逼近的方法，即：

当采用一些典型窗函数时，便可推导出幅值的简单实用的计算公式，需要注意的是0谱线幅值所在的频点在1和2频点之间浮动，当频率分辨率很小时，可以看成1频点上的幅值，这对于研究传导EMI的影响不大。下面是已经推导出的海明窗的逼近多项式：

3 实验验证

时域测量方法流程如图1所示。

插值修正的具体做法是经过加窗FFT后，由已知左右频点的幅值，直接应用上述多项式，修正两个频点值之间频谱的幅度值。

图1 时域测量方法流程

图2 加窗插值对幅值的修正

本文所述的方法将用于一台50 kW充电电源的传导EMI测量。三相输入的传导EMI通过LISN同时进入到示波器里，将采样得到的时域数据序列以TXT的格式保存起来，以便拷贝到计算机中进行灵活的数据处理。

仅仅FFT后的结果如图3所示。

通过本文所述加窗插值后的处理结果如图4所示。

图3 仅FFT后测得的共模/差模干扰量(150 kHz～30 MHz)

图4 加窗插值FFT后所得的共模/差模干扰量(150 kHz～30 MHz)

图3、图4中幅值单位为dBμV，这是为了与国标相对照以及方便计算滤波器所需的衰减量。在Matlab中可以灵活地定位150 kHz～30 MHz之间的峰值点及其对应的频率点。从图3和图4可以看出，在某些频点，经过加窗插值后的结果比单纯FFT后的结果高几个dB，这证明修正的效果是明显而且有意义的。

4 结论

本文所述的时域测量方法对于研发工程师而言是一种简单、方便、易实现、用时少、花费少的传导EMI测量方法。并且该方法不需要硬件的共/差模分离器便能实现共/差模分离，减少了测量系统的复杂性，在这一层面上，减小了测量误差。

在数据处理阶段，通过加窗插值算法，可以把FFT后频谱泄露效应和栏栅效应的影响降到最低。整个测量过程中，大量的数据处理是在个人计算机中完成的，这有助于充分利用计算机中的通用软件进行灵活的数据处理和分析。

[1]孙亚秀，孙力，姜宝军，等.低成本高性能的共模和差模噪声分离技术[J].中国电机工程学报，2007，27(16):98-103.

[2]罗萍，李肇基.一种新的传导型共模/差模EMI分离测试网络[J].电子测量与仪器学报，2006，20(1):64-67.

[3]KRUG F,RUSSER P.The time-domain electromagnetic interferencemeasurement system[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2003,45:330-338.

[4]LEE Y S,LIANG Y L,CHENG M W.Time domainmeasurement system for conducted EMI and CM/DM noise signal separation[C]// Proceedings of International Conference on Power Electronics and Drives Systems.Malaysia:Universiti Teknologi Malaysia,2005:1640-1645.

[5]ANDRIA G,SAVINO M,TROTTAA.Windows and interpolation algorithms to improve electricalmeasurement accuracy[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1989,34(4):856-863.

[6]庞浩，李东霞，俎云霄，等.应用FFT进行电力系统谐波分析的改进算法[J].中国电机工程学报，2003，23(6):50-54.

Time domainmeasurementmethod for conducted EMI

LIU Peng,LIU Qing-xiang,ZHANG Zheng-quan,LI Wei,WANG Qing-feng

A time-domainmethod for the conducted electromagnetic interferencemeasurement in the frequency range 150kHz-30MHz was described.The advantages and application range of the time-domainmethod compared to the traditionalmethod were discussed.In the conducted EMImeasurement,themeasured frequency and amplitude by Fast Fourier Transformation(FFT)could be corrected by the utilization of window functions and interpolation algorithms in order to overcome the spectral leakage and the fence effect.It was no need to use the time-domainmeasurement to separate CM and DM noise.The proposedmethod was applied to themeasurement of a charging power supply.Thismethod to some extent was verified.

conducted EMI;time-domain;common-mode;differential-mode;interpolation algorithms

TM 15

A

1002-087 X(2014)10-1949-03

2014-03-20

中央高校基本科研业务费专项基金(SWJTU11CX077，SWJTU12CX086，SWJTU12ZT10)

刘鹏(1987—)，男，四川省人，硕士研究生，主要研究方向为大功率电源。