实验四电源滤波器插入损耗仿真
EMI滤波器插入损耗的精准测量方案及实验研究
452020年第3期 安全与电磁兼容引言GB/T 7343-2017《无 源 EMC 滤 波 器 件 抑 制 特 性 的 测 量 方 法 》（ 以 下 简 称 “规 范 ”，等同采用 IEC/CISPR 17: 2011）[1]是国内外大多 EMI 滤波器制造商生产测试的指导文件。
然而，按规范的测量原理、定义和测试方法得到的数据，在各个厂商之间及各个滤波器用户之间往往不尽相同。
所以现行规范的测试方法不能精确地表示滤波器在其预定应用中产生的 EMI 插入损耗性能。
为了弥补现行规范的不足，本文提出利用共差模分离器来提高 EMI 滤波器插入损耗的测试精度，并通过实际测试加以验证。
另外，详细阐述了“对称差模测试”电路和“非对称测试”电路的区别。
1 无源 EMI 滤波器件的插入损耗[1]插入损耗测量是一种确定滤波器或抑制电路对射频骚扰抑制能力的标准化测量方法。
目前，在 EMI 滤波器的插入损耗电路中，主要运用的是四端测试网络 理论[2]。
图 1 为典型的滤波器电路，包含有线-线电容 Cx、线-地电容 Cy 和共模电感（由火线与零对称绕制线同一个磁芯而形成）。
线-线电容 Cx 和电感的互感，在滤波器的火线和零线之间产生很大的电磁耦合，就会产生与之相对应的共模、差模分量。
为了确保滤波器的正常工作和考虑到该情况，必须建立一个四端口插入损耗测量模型。
通用的电源 EMI 滤波器中，大都使用这个典型的基本电路结构。
本文采用四端口网络，分析滤波器插损测试规范中的三种电路，包括不对称（共模）测试电路、对称（差模）测试电路及非对称测试 电路。
1.1 不对称共模测试电路如图 2 所示，不对称（共模）测试电路是使用一个同相输出的 50Ω 0功率分配器电路，每个端口的输出阻抗为 50 Ω，测量分析对插入损耗的影响。
本文使用 mini 公司ZFSC 50 Ω 0功分器，见图 2，其典型性能数据见表 1。
EMI 滤波器插入损耗的精准测量方案及实验研究Precise Measurement Scheme and Experimental Research of EMI Filter Insertion Loss北京理工大学 区健昌 周阔 田元波摘要简要介绍了共模、差模及非对称的测试电路，但都无法精准测量 EMI 滤波器的插入损耗。
高性能电源滤波器插损测试研究
０ 引 言
电波 暗室 由于其 高性 能 的要 求 ，对 于 其使 用 的 电源 滤 波器 往往 要求 在较 宽 的频 率范 围 内有较 大 的插 入损 耗 ，如在 频 率范 围 １ ４ ｋ Ｈ ｚ 一 ３ ０ ＭＨ ｚ 内 ，电源 滤波 器 的插 入 损耗 不低 于 ｌ ０ ０ ｄ Ｂ。但 是 ， 由于 电波 暗 室所 使 用 的 电源 滤波 器 大 多为 交流 ２ ２ ０ Ｖ、３ ８ ０ Ｖ等 高 电压 电源 提 供滤 波 ，且滤 波 器 的额定 电流 一 般在 几十 安培 ，甚至 上百 安培 ，导 致滤 波 器本 身尺 寸较 大 ；另一 方 面 ，这类 滤波 器 需要 直接 与市 电供 电线 相连 ，为普 通低 频线 缆 ，导 致滤 波器 接线 端 子不 能采 用射 频 连 接 头 。在 对 滤波 器 的插损 进 行测 试时 ，以上滤 波 器 的外形 特征 会 给 测试 带 来一 定 困难 。本文 将对 滤 波器 的插 损测 试 矢量 网络 分析 仪 法 和频 谱仪 法进 行对 比分析 ，给 出这类 滤波 器 合理 测试 建议 。
３ 频谱仪法
１ 滤波器插损 测试 原理
电波 暗室用 高性能 电源滤波 器主要 用于暗 室 电源Ｅ ＭＩ 干扰滤 波 ， 保 证接 入 暗室 内 的 电源 环境 是干 净 的 ，满足 电磁 兼 容测 试 的供 电要 求 。一般而 言，滤波 器 的主 要性能指标 包括插 入损耗 、频率特 性 、阻 抗 匹配、额 定 电流值 、绝缘 电阻值 、漏 电流 、物理尺 寸及重 量、使用 环境 以及本 身的可靠 性 。在 使用时考虑 最 多的是额定 电压 电流值 、插 入损 耗和漏 电流三 项，而本文 主要 讨论滤波器 的参数 ：插入损 耗。 滤波 器插入 损耗是指 有用信 号通过 的能力 ，插入 损耗越 大表示信 号通 过能 力越弱 。滤 波器插 入损耗测 试分为共 模和差 模测试 ，测试原 理 图如图１ 所示 。在滤 波器的输入端连接 信号发生器 ，在输出端连接接 收机 ，二者测试 的差别在 于地线 的连接 。当源 阻抗和 负载 阻抗等 于５ ０ Ｑ 时 ，插入损耗定义 为：不加 电源滤波器 时从干扰源传递到 负载的干扰 电 压Ｖ ｎ 与接入 滤波器 时负载上 的干扰 电源ｖ ， 之 比，通 常用（ １ ） 式表示 ：
插入损耗测试
EMI电源滤波器插入损耗的测量方法EMI滤波器尚没有产品类国标，只是企业标准，EMI电源滤波器的主要性能指标一般包括插入损耗、频率特性、阻抗匹配、额定的电流值、绝缘电阻值、漏电流、物理尺寸及重量、使用环境以及本身的可靠性。
在使用时考虑最多的是额定的电压及电流值、插入损耗、漏电流三项。
本文主要介绍EMI滤波器插入损耗的测量方法。
EMI滤波器插入损耗测量方法是根据CISPR17(1981)出版物提出的滤波器标准测量方法包括共模、差模、常模和Q/ 100 Q阻抗测量方法。
1.共模插入损耗标准测量方法根据CISPR17(1981)出版物B6提出的共模插入损耗标准测量方法(Asymmetrical Measureme nt),如图所示。
根据插入损耗的定义，先要测量没有滤波器时，负载50Q上的电压V1作为OdB的参考电压。
再测量有滤波器后，负载500上的电压V2,通过频谱分析仪将20log(V1V2)随频率变化的结果显示在屏幕上或通过接口打印出来。
测量时注意，滤波器的输入端和输出端是并联的，目的是取得共模插入损耗的平均值。
因为滤波器的Cy电容量尽管标称值和误差等级一样，其实际值也不完全一样，电感尽管绕组匝数一样，但磁芯的磁导率误差和工艺上也很难实现在绕制和装配时完全对称，因此采用平均值才有意义。
图共模插入损耗的典型测量方法2 •差模插入损耗标准测量方法根据CISPR17( 198出版物B5提出的差模插入损耗标准测量方法(SymmetricalMeausurement ），如图 所示。
图差模插入损耗的典型测量方法由于频谱分析仪（或标准信号发生器）输出、输入均采用对地非对称结构的 50 Q 同轴 电缆，为了测量对地对称的差模插入损耗，需对频谱分析仪跟踪发生器的输出信 号（滤波器的输入信号）进行不对称-对称变换，对频谱分析仪输入信号（滤波 器的输出信号）进行对称-不对称的逆变换，其他步骤同上。
3 •常模插入损耗标准测量方法根据 CISPR17（1981）出版物 B7提出的不对称测量方法 （Un symmetrical Measurement ）又称常模（Normal Mode ）测量，如图所示。
EMI电源滤波器中的插入损耗测试技术
ｏ ｏ ｒｆｌ ｒ ａ ｅｅ ｐ ａ ｉｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｉｅ ｔｏ ｒ ｏ ｎ ｅ ｕ ． ｆｐ ｗｅ ｉ ｅ ｒ ｍ ｈ ｓｚ ｄ ａ ｄ ｉ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｄ ｒ ｃ ｉｎ ａ ｅ ｐ ｉ ｔ ｄ ｏ ｔ ｔ ｓ
ｄ ｎ ， ２ ２ ０ Ｃｈ ｎ ） ｏ ｇ ５ ７ ０ ， ｉ ａ
￣ｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｍ ｐ ｒａ ｃ ｆｔ ｅ ｉｓ ｒ ｉｎ ｌ ｓ ｆｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ｅ ｎ ＥＭ Ｉｐ ｗｅ ｉ ｅ ｓ ｉｔｏ ｕ ｅ ． ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ｉ ｏ ｔｎ ｅ ｏ ｈ ｎ ｅ ｔ ｏ ｓ ｏ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｉｄ ｘ ｉ ｏ ｏ ｒ ｆ ｔｒｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ Ｔｈ ｌ
摘 要 ： 绍 了Ｅ 介 ＭＩ电源 滤 波器 中的 插入损 耗性 能指 标 的重要 性 ； 分析 了电源 电磁 干 扰 产 生的机 理 及 电源 滤 波
器 的作 用 ； 明 了插入 损耗 的定 义 、 说 测试 原理 以及 指标 种 类 ； 细描述 了在屏 蔽 室测量 和 频谱 分析 仪 动 态 测量 两 详
维普资讯
《 电气 开关 ￣２ ０ ． ． ） （０ ６Ｎｏ １
文章编号 ：０４ ２ ９ ２ ０ ）１ ００ －０ １０－ ８Ｘ（０６０ － ０ １ ４
Ｅ ＭＩ 电源滤波器中的插入损耗测试技术
邓 重 一 （ 罗定 职 业技 术 学院 电子 工 程 系 ， 东 罗定 ５ ７ ０ ） 广 ２ ２ ０
Ｌ 滤波 电容 Ｃ ～ｃ 。Ｌ对串模干扰不起作用， 当出 、 但 现 共模 干扰 时 ， 由于两 个线 圈 的磁通 方 向相 同 ， 经过 耦 合后总电感量迅速增大 ， 因此对共模信号呈现很大的 感抗 ， 使之不 易通过 ， 称作 共 模扼 流 圈。它 的两个 线 故
电源EMI滤波器插入损耗的研究(图)
电源EMI滤波器插入损耗的研究(图)
从抗电磁干扰角度来说，电源EMI滤波器实际是一个只允许直流和工频通过的低通滤波器，即从零频（直流）至截止频率（工频）的通带内以最小衰减通过电流（或电压）。
对电磁干扰的阻带，要求尽可能高的衰减，过渡带曲线尽可能陡（即过渡带尽可能窄）。
由于EMI滤波器衰减的定义与传统滤波器不同，所以，传统滤波器的各种传递函数表达式和现成的数据及图表均不能直接用于EMI滤波器的设计。
EMI滤波器的衰减用插入损耗来表示，本文将探讨电源EMI滤波器插入损耗的计算，以及影响插入损耗的各种原因和改进方法。
EMI滤波器插入损耗的理论分析
EMI滤波器插入损耗IL定义如下：
IL=10log(P1/P2)=20log(U1/U2) (1)
式中，P1和U1分别表示当EMI滤波器未插入前（图1（a）），从噪声源us传递到负载RL的功率和电压；P2和U2分别表示当EMI滤波器接入后（图1(b)），从噪声源传递到负载的功率和电压。
图1 EMI滤波器接入前、后的电路
理论分析EMI滤波器的IL时，把滤波器网络用A参数来表示：
(2)
则可求得EMI滤波器的IL表达式为：
IL=20log|(a11RL+a12+a21RSRL +a22RL)/(RS+RL)| (3)
图2为高性能的EMI滤波器。
其中，E表示共模信号输入端。
图2中网络。
ansys仿真电路的插入损耗回波损耗
ansys仿真电路的插入损耗回波损耗ANSYS是一种广泛应用于工程仿真领域的软件，可以用来模拟和分析各种工程问题，包括电路设计和分析。
在ANSYS中，插入损耗和回波损耗是电路仿真中两个重要的参数。
插入损耗是指信号在电路中经过某个器件或元件时，由于阻抗不匹配、传输线损耗或其他因素，造成信号功率的损失。
插入损耗可以通过电路仿真来计算和评估，帮助工程师了解电路的性能和影响因素。
在ANSYS中，可以使用不同的工具和模块来模拟电路，例如ADS（Advanced Design System）、HFSS（High Frequency Structure Simulator）和SIwave（Signal Integrity Waveform Engineering）等。
在进行电路仿真时，首先需要构建电路模型，并确定需要分析的器件或元件的特性和参数。
对于插入损耗的仿真，需要考虑元件的频率响应、传输线的特性、匹配网络等因素。
ANSYS提供了各种元件和工具，可以帮助工程师模拟和计算插入损耗。
对于回波损耗的仿真，主要是分析信号在电路中的反射情况。
当信号从源端输入到电路中时，会在各个器件和传输线之间发生反射，造成信号的反射损耗。
回波损耗可以反映电路的匹配性能和信号传输质量。
在ANSYS中，可以利用S参数矩阵来展示器件和传输线的反射和传输特性，通过计算矩阵元素来评估回波损耗。
在电路仿真中，为了准确模拟插入损耗和回波损耗，需要考虑材料特性、导体电阻、电感和电容等因素的影响。
ANSYS提供了各种材料和物理模型，可以帮助工程师进行更精确的仿真和计算。
在进行电路仿真之前，需要将电路的物理模型转化为电路仿真模型，并进行网表的建立和参数设置。
在ANSYS中，可以使用电路仿真模拟工具，如SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），来进行电路仿真和计算。
总之，ANSYS可以帮助工程师模拟和计算电路的插入损耗和回波损耗，进而评估电路的性能和优化设计。
插入损耗
插入损耗是指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。
插入损耗以接收信号电平的对应分贝（db）来表示。
什么是插入损耗?插入损耗是不带滤波器时，从源到负载转换的信号电压与带滤波器时，从源到负载转换的信号电压之比（单位是dB）。
正如前面所讨论的（“电源线干扰滤波器时如何工作的？”），插入损耗并不是一种在电源设备环境中滤波器性能的判断依据。
如何测量插入损耗？如果终端阻抗合乎标准，那测量插入损耗就变得有意义了。
但是如此获得的结果只能用于完全相同的电路。
最常见的设置是使电源和负性负载阻抗均为50Ω。
插入损耗测量最重要的一点是一致性，供方与客户应均采用同样的测量手段。
EFT采用的方法如下：用频谱分析仪，或调频接收机或跟踪发生器，很容易测量插入损耗。
不带滤波器是建一个零dB参考点。
然后插入滤波器，记录在所需频率范围内提供的衰减。
对于电源线滤波器，我们感兴趣的是两种不同模式的衰减：共模（CM）-信号存在于两侧的线（火线及中性线）对地。
差模（DM）-信号存在于一侧的线对线。
相应的，我们可以研究CM插入损耗或DM插入损耗，或者两者同时研究。
对于共模，火线及中性端子处于同一电位（相同的量值及相位），可以认为是并联的，CM电流在这组线及共线（地）之间流动。
将滤波器两侧的火线与中性线各接到一起（图1），以测量CM插入损耗。
图1 CM插入损耗测量对于差模，火线及中性端子量值相同，但相位相反。
电流仅在火线与中性线之间流动。
DM 插入损耗是用50Ω，180°电源分离器来测得，如图2所示。
图2 DM插入损耗测量对于差模测试方法，也可以简化图3，去除180°电源分离器来测得，如图3所示。
图3 CM插入损耗测量参考接法注意图1和图2种的所有信号线均为50Ω同轴导线。
1．参考零dB的测量要在整个频率范围内，而不是仅在一两个点测量。
2．确保滤波器外壳有良好的RF接地连接。
3．确保到滤波器负载侧的接线到线侧的接线已被很好的隔离开，以避免滤波器周围的RF耦合。
实验四电源滤波器插入损耗仿真
电磁场与电磁兼容实验报告学号：姓名：院系：专业：教师：5月28日实验四 电源滤波器插入损耗仿真实验一、 实验目的通过对电源滤波器基本电路的仿真实验，掌握电源滤波器构成以及各器件的功能和作用，理解滤波器EMI 防护原理。
二、 实验原理和内容实验原理图：图 1电源滤波器电路图电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用实例，它可同时滤去差模和共模两种模式的高频噪声。
图1所示为电源滤波器的原理图。
L1和L2是差模电感扼流圈，电感量一般选取几十至几百毫亨，C1是差模滤波电容，一般选取0.047~0.22uF ，L3和L4是共模扼流圈，电感量约为几毫亨，绕在同一个铁氧体环上，C2和C3是共模滤波电容，电容量一般选取几纳法。
插入损耗计算公式：图2 共模扼流圈实验内容：使用EWB或Multisim等电路仿真软件，对电源滤波器进行仿真，通过改变器件参数、输入阻抗、输出阻抗等条件，观察插入损耗的变化，并对实验结果进行分析。
三、实验步骤1、设计电源滤波器电路根据图1的电路图，在仿真软件中建立仿真模型电路如下图2、图3分别为共模、差模插入阻抗测试电路。
图2 共模插入阻抗测试电路图3 共模插入阻抗测试电路2、仿真滤波器的频率响应针对共模电路和差模电路分别进行仿真，分析不同频率下的输出信号。
1）控制输入频率分别等于1kHz, 10kHz, 20kHz, 100kHz,观察示波器的输出波形。
2）改变L1 L2的参数、C2 C3的参数，观察频率响应曲线的变化。
3、仿真计算滤波器共模插入损耗4、仿真计算滤波器差模插入损耗四、实验数据和结果分析1、共模电路仿真结果1）函数发生器参数设置截图通过改变函数发生器的频率参数来调节频率。
选用变压器代替共模扼流圈，但是选用的变压器并不是理想变压器，因此更改其中一些参数如下：2）不同频率仿真结果：f=100Hz f=1kHz f=9kHzf=10kHz f=20kHz f=100kHz从仿真结果可以分析出，当输入频率在一定低频范围内增大时，输出并不出现衰减，反而随着频率的增大而增大；当输入频率达到很高的频率范围时，输出随着频率的增大而衰减。
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电磁场与电磁兼容
实验报告
学号：
姓名：院系：专业：教师：
5月28日
实验四电源滤波器插入损耗仿真实验
一、实验目的
通过对电源滤波器基本电路的仿真实验，掌握电源滤波器构成以及各器件的功能和作用，理解滤波器EMI 防护原理。
二、实验原理和内容
实验原理图：
图1 电源滤波器电路图
电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用实例，它可同时滤去差模和共模两种模式的高频噪声。
图1 所示为电源滤波器的原理图。
L1 和L2是差模电感扼流圈，电感量一般选取几十至几百毫亨，C1是差模滤波电容，一般选取0.047~0.22uF，L3和L4是共模扼流圈，电感量约为几毫亨，绕在同一个铁氧体环上，C2 和C3 是共模滤波电容，电容量一般选取几纳法。
插入损耗计算公式：
图 2 共模扼流
圈
实验内容：使用EWB 或Multisim 等电路仿真软件，对电源滤波器进行仿真，通过改变器件参数、输入阻抗、输出阻抗等条件，观察插入损耗的变化，并对实验结果进行分析。
三、实验步骤
1、设计电源滤波器电路
根据图1 的电路图，在仿真软件中建立仿真模型电路
如下图2、图3 分别为共模、差模插入阻抗测试电路。
图2 共模插入阻抗测试电路
图3 共模插入阻抗测试电路
2、仿真滤波器的频率响应
针对共模电路和差模电路分别进行仿真，分析不同频率下的输出信号。
1）控制输入频率分别等于1kHz,10kHz, 20kHz, 100kHz,观察示波器的输出波形。
2）改变L1 L2的参数、C2 C3的参数，观察频率响应曲线的变化。
3、仿真计算滤波器共模插入损耗
4、仿真计算滤波器差模插入损耗
四、实验数据和结果分析
1、共模电路仿真结果
1）函数发生器参数设置截图
通过改变函数发生器的频率参数来调节频率。
选用变压器代替共模扼流圈，但是选用的变压器并不是理想变压器，因此更改其中一些参数如下：
2）不同频率仿真结果： 从仿真结果可以分析出， 当输入频率在一定低频范围内增大时， 输出并不出 现衰减， 反而随着频率的增大而增大； 当输入频率达到很高的频率范围时， 输出 随着频率的增大而衰减。
可见，共模电路的高频特性很好。
3）改变器件参数：
a. 只改变 L1、L2 电感值时，仿真结果如下： L1=L2=50mh L1=L2=100mhL1=L2=500mh
从仿真结果可以看出，增大 L1、L2 的电感，截止频率变小，能更好地衰减高频 干扰信
f=100Hz
f=1kHz
f=9kHz
f=10kHz f=100kHz
f=20kHz
号。
b. 只改变C1的电容值时，仿真结果如下：
C1=0.047uf C1=0.1uf C1=0.5uf
从仿真结果可以看出，改变C1 电容对截止频率几乎无影响
c. 只改变C2、C3 的电容值时，仿真结果如下：
C2=C3=1nF C2=C3=5nF C2=C3=10nF
从仿真结果可以看出，增大电容C2 和C3，高频信号的截止频率减小
4）计算共模损耗
原始参数未改变时
此时选取明显发生了损耗时的频率值15kHz，并在示波器上读取两通道电压值
计算共模插入损耗：增大L1=L2=500mh增大
C2=C3=10nF
未改变器件参数时，S=20lg(U0/Ui)=-2.2dB ；
L1、L2为500mh，S=20lg(U0/Ui)=-26.8dB ；
C2、C3为10nF，S=20lg(U0/Ui)=-11.0dB ；可见增大L1、L2，增大C2、C3，插入损耗均会增大
2)不同频率仿真结果：
f=100Hz f=1kHzf=1.5kHz
f=2kHzf=3kHz f=10kHz
从仿真结果可以分析出，当输入频率在一定低频范围内增大时，输出并不出现衰减；当输入频率达到某一频率范围时，输出随着频率的增大而衰减。
当输入频率达到高于正常频率值时，输出信号几乎完全被抑制。
3）改变器件参数：
a. 只改变L1、L2 电感值时，仿真结果如下：
干扰信号
b. 只改变C1的电容值时，仿真结果如下：
C1=0.047uf C1=0.47uf C1=0.7uf
从仿真结果可以看出，改变C1 电容对截止频率几乎无影响
c. 只改变C2、C3 的电容值时，仿真结果如下：
C2=C3=1nF C2=C3=5nF C2=C3=10nF
从仿真结果可以看出，增大电容C2 和C3，高频信号的截止频率减小。
原始参数未改变时
此时选取明显发生了损耗时的频率值1.5kHz ，并在示波器上读取两通道电压值
增大L1=L2=500mh增大C2=C3=10nF
计算差模插入损耗：
未改变器件参数时，S=20lg(U0/Ui)=-3.6dB ；L1、L2为500mh，S=20lg(U0/Ui)=-27.6dB ；C2、C3为10nF，S=20lg(U0/Ui)=-26.9dB ；可见增大L1、L2，增大C2、C3，插入损耗均会增大
五、实验总结
电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用。
其作用是阻止电网中噪声进入设备，而且可以抑制设备产生的噪声污染电网。
它的优点是可以同时抑制差模与共模两种模式的高频噪声，其滤波性能受电容电感值影响。
在仿真电路中，C2、C3 不宜选取过大，否则容易引起滤波器机壳漏电的危险。
同时滤波器金属机壳应该接地，因此C2、C3 之间接地，该地指大地。
在实际中，电源滤波器不是一个理想的低通滤波器。
低频时插入损耗很小，电源频率几乎无衰减通过。
在截至频率以后，在一定范围内，随着频率的升高，插入损耗不断增加。
六、改进建议
可以将组成滤波器的多个级联环节之间用独立的屏蔽层隔开，以防干扰。