EMI滤波器测试技术研究

随着科学技术和生产的发展，电子产品日益增多，从而空间电磁环境越发复杂，恶劣的电磁环境将会对人类及各种生物造成严重影响，另外电子产品间也可能互相产生干扰导致其不能正常工作，于是出现了EMC测试。
    在电子设备及电子产品中，电磁干扰能量可通过辐射性耦合或传导性耦合进行传输。在抑制电磁干扰信号的辐射干扰方面，屏蔽是有效的措施；在抑制电磁干扰信号的传导干扰方面，EMI滤波器是十分有效的器件。由于EMI滤波器是抑制传导干扰的重要器件，所以研究EMI滤波器的测试方法就变得十分重要。

l EMI滤波器的测试指标
1．1 共模干扰和差模干扰
    实际上EMI电源滤波器起两种低通滤波器的作用：衰减共模干扰和衰减差模干扰。对任何电源线上的传导干扰信号，都可以用共模和差模干扰信号来表示。并且可把L—E和N—E之间的共模干扰信号、L—N之间的差模干扰信号看作独立的EMI源，把单相电源内的L—E、N—E和L—N看作独立网络端口来分析EMI信号和有关的滤波网络。图1中，U1和U2为共模干扰信号，U3为差模干扰信号。

1．2 EMI滤波器网络结构
    图2所示为单相电源滤波器的基本网络结构。它是由集中参数元件构成的无源低通网络，滤波网络主要由两只电感L1和L2，三只电容CX、CY1、CY2组成。如果把该滤波器一端接入电源，负载端接上被干扰设备，那么L1和CY1，L2和CY2就分别构成L—E和N—E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号。此外，L1、L2又与CX构成L—N独立端口之间的低通滤波器，抑制差模干扰信号。
1．3 EMI滤波器漏电流性能测试
    泄漏电流是指在250VAC的电压下，相线和中线与滤波器外壳(地线)间流过的电流。它主要取决于接地电容(共模电容)的取值。较大的共模电容CY可以提高插入损耗，但却造成较大的漏电流。泄漏电流的测试电路如图3所示：

1．4 EMI滤波器耐压性能测试
    为确保电源滤波器的性能以及设备和人身安全，必须进行耐压测试。耐压测试是在极端工作条件下的测试。若CX电容器的耐压性能欠佳，在出现峰值浪涌电压时，可能被击穿。它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器功能丧失或性能下降。CY电容器除了满足接地漏电流的要求外，还在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，避免在极端恶劣的环境条件下出现击穿短路现象。故线一地之间的耐压性能对保护人身安全有重要意义，一旦设备或装置的绝缘保护措施失效，可能导致人员伤亡。
1．5 EMI滤波器的性能评定
    EMI电源滤波器在使用时考虑最多的是额定电压及电流值、耐压性能、漏电流三项，而其中最主要的评定性能为滤波器的插入损耗性能。
    EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I．L．(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB(分贝)表示。

   

2 EMI滤波器的频域测试
    测试标准的确定为电源EMI滤波器的各项指标提供了统一的衡定依据。其中最主要的测试项目为滤波器频域上的插入损耗测试
2．1 插入损耗的标准测试
    在标准测量法中规定，在50Ω～75之间的任一阻值的系统内测试它的插入损耗特性。测试原理如图4所示。

    实际测试时，常常利用屏蔽室来测试滤波器的插入损耗，测试图如图5所示。
2．2 插入损耗的加载测试
    在EMI滤波器产品中，由于使用不合适的材料，共模扼流圈不可能保证完全对称会导致磁环的饱和，同时寄生差模电感也可能产生磁环的饱和，使得滤波器的实际使用情况与厂家提供数据有很大差距，因此必须对滤波器采用加载测试。

3 EMI滤波器的时域测试
    一般地，对于EMI电源滤波器我们只关心它的常规性能及频域抑制性能。而对于EMI信号线滤波器，由于传输线本身就会产生一定的电磁干扰，所以测试信号必然会产生一定的衰减。这时，我们就要对其进行时域传输性能上的测试。
    使用50kHz的方波对电容值为8000pF的滤波插针进行滤波，发现其时域的上升沿和下降沿有明显的变化。频域上，经过滤波后，方波信号的高频分量被滤除。
    对于通过同一滤波插针，方波的频率越高，其谐波信号被滤波插针衰减的将会越大，则方波的波形上升及下降时间将会越长。同样，对于同样的频率波形，通过滤波插针，其滤波容值越大，方波上升时间趋缓的程度越大。

4 EMI滤波器插损自动测试系统设计
    近年来，随着EMC测试的内容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能、性能、测试速度、测试准确度等方面的要求也日益提高。在这种情况下，传统的人工测试已经很难满足要求，再加上现在的国家标准(GB)和国家军用标准(GJB)均要求电磁兼容的检测必须自动进行，并且对数据后处理有严格的要求。因此，发展EMC自动测试成为必然之路。本文所建立的自动测试系统使用了虚拟仪器技术，基于信号源一频谱仪对EMI电源滤波器进行插损测试的系统。
4．1 测试系统程序流程
    本系统是在计算机上搭建一个虚拟的测试平台，使用虚拟仪器技术通过通信总线GPIB在计算机上直接对频谱仪进行程控，以减少测试夹具对滤波器插入损耗测试结果的影响。程序流程图如图6所示。
4．2 硬件接口与驱动
    要实现该自动测试系统的功能，必须要解决的是实现计算机控制仪器运动及读取测量的数据，而实现这一步首先要解决的问题是仪器和计算机之间的通信问题。在这里，选择了具有GPIB(IEEE一488)接口的仪器。
    另外系统还需要实现测试硬件的驱动，软件中分别实现了对信号发生器的驱动和对频谱分析仪的驱动。对信号发生器的程控是在VB环境中编写的，软件语句中参考说明书中驱动程序的编写方法，完成了对信号发生器的基本设置，设置为射频输出方式，射频信号的频率调用信息输入界面产生的频点列表，发射频率由用户在软件中设置。程序中首先定义命令中所用到的基本参数，然后进行程序的编写，相应代码如图7所示。

    对频谱分析仪的驱动是通过在VB环境中编写程序，调用LabVIEW程序通过GPIB总线驱动频谱．仪的方法。采集频谱仪测试滤波器所产生的图形和数据。
    软件通过调用LabVIEW文件的输入输出操作存储数据或从磁盘文件中读取校准和测试数据(其中图形为二维数组)，经过调用代码转为图形显示出来并将校准值和测试值存入数据库。这里使用了VB和LabVIEW的混合编程，相应代码如图8所示。

4．3 测试软件的界面设计
    用户界面是用户与应用程序交互的媒介。用户界面是应用程序里最重要的部分，也是直观的现实世界。对用户而言，界面就是应用程序。
    本软件由六个界面组成，分别是功能选择界面、输入信息界面、校准界面、测试界面、结果显示界面和历史数据对比界面组成。功能选择界面中用户选择软件实现的功能，进行插损测试或者查询历史测试数据。在输入信息界面中，用户填入测试基本信息并确定测试频点的范围，形成频点列表，测试频点列表存入数据库。在校准界面，首先驱动信号发生器产生信号进行校准，设置发射功率并存入数据库，然后驱动频谱仪对测试滤波器进行校准，产生校准结果和图形，并显示出来。测试界面中再次驱动信号发生器，产生所需要的测试信号，调用数据库中的发射功率不，再次驱动频谱仪对滤波器插损性能进行测试，产生测试结果和图形并显示出来。在结果界面显示插入损耗测试结果表和差模、共模的插损曲线图。历史数据对比通过添加数据库中不同型号滤波器的插损结果进行对比，并生成对比曲线图，方便用户比较测试结果。
4．4 测试数据库
    在输入信息界面，用户输入测试基本信息后生成一个管理数据库。该数据库中存放用户定义的测试频点和与之对应的共模和差模的校准、测试与插损的结果。若文件名相同则覆盖原数据库。确定测试频点范围后生成插入损耗子数据库，校准和测试结果存入子数据库，并计算得出插入损耗测试值。如图9所示。
4．5 测试数据的处理
    由于频谱仪产生的校准值和测试值都是经过处理后的计算值，单位为dB。所以根据公式(1)可知，插入损耗值即为校准值与测试值之差。软件中通过VB和LabVIEW的混合编程，可将频谱仪生成的校准和测试图形在界面上显示。
    另外，软件会将校准结果和测试结果自动存入插入损耗数据库中，并通过本软件的插损计算公式得到共模插损数据和差模插损数据并保存。通过调用插入损耗数据库可生成一个数据报表。本软件使用DataReport数据报表设计器和数据源(Data Environment数据环境设计器)，创建一个可打印输出的报表并且可以将报表导出到HTML或文本文件中。

5 结论
    随着电子设备以及各种电器的大量涌现和飞速发展，电子设备之间的电磁干扰(EMI)已成为一种严重的公害。EMI滤波器作为抑制电磁干扰的最有力的手段，日益为人们所了解和广泛使用。因此，对EMI滤波器的测试技术的研究就变得十分重要。本文EMI滤波器各个方面的测试原理及方法进行了简要的分析，并在插入损耗人工测试的基础上编制了基于虚拟仪器技术的插损自动测试软件。避免人工测试的一些缺陷，实现了测试的自动化，功能简单、操作灵活。