一文解析LISN人工電源網(wǎng)絡(luò)

#R&S技術(shù)科普

電磁兼容（EMC, Electro-magnetic Compatibility）標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中必須通過的一個(gè)門檻。大部分電子產(chǎn)品的出口（或進(jìn)口）認(rèn)證過程中都會(huì)涉及到EMC測(cè)量，如歐盟CE認(rèn)證、美國(guó)FCC認(rèn)證和中國(guó)3C認(rèn)證等，最為常見的EMC測(cè)試就是電源端傳導(dǎo)騷擾電壓。人工電源網(wǎng)絡(luò)是傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試系統(tǒng)中的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)將干擾電壓耦合至 EMI 測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量與分析。

01LISN是什么?

人工電源網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱LISN（Line impedance stabilization network）或AMN(Artificial Mains Network)是傳導(dǎo)電壓騷擾測(cè)量的主要工具。在傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試布置中，待測(cè)物的電源供電端連接到LISN的電源輸出，LISN的電源輸入連接到電網(wǎng)，LISN的射頻輸出連接到EMI測(cè)量接收機(jī)，如圖1所示。

圖1 傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試方框圖

在傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試中，LISN主要有以下作用：

提供待測(cè)設(shè)備（DUT）的供電（AC/DC）

將待測(cè)設(shè)備（DUT）產(chǎn)生的騷擾電壓耦合到測(cè)量接收機(jī)

提供穩(wěn)定的輸入阻抗作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

具有濾波功能，防止電網(wǎng)與待測(cè)物（DUT）之間的相互干擾

02LISN 如何分類？

常見的LISN可以分為兩類：V型LISN和Δ型LISN。用戶需要根據(jù)自己的產(chǎn)品測(cè)試需求來選擇對(duì)應(yīng)的LISN類型。

V型LISN：

模擬阻抗為50Ω的人工電源網(wǎng)絡(luò)，用來測(cè)量非對(duì)稱電壓（Unsymmetrical Voltage），即每根導(dǎo)線或端子與規(guī)定的接地基準(zhǔn)之間的射頻騷擾電壓。由于每根導(dǎo)線或端子都會(huì)流過共模與差模電流，所以測(cè)量的結(jié)果并不區(qū)分差模電壓或者共模電壓，結(jié)果是兩種干擾的矢量疊加。如果需要使用V型LISN進(jìn)行差模或者共模干擾的測(cè)試，需要借助額外的差共模分離裝置，比如Schwarzbeck的CMDM 8700。

Δ型LISN：

模擬阻抗為150Ω的人工電源網(wǎng)絡(luò)，用來測(cè)量對(duì)稱電壓（Symmetrical Voltage），即兩根導(dǎo)線或端子之間的射頻騷擾電壓（差模電壓）；也可測(cè)量不對(duì)稱電壓（Asymmetrical Voltage），即兩根導(dǎo)線的電氣中點(diǎn)與參考地之間的射頻騷擾電壓（共模電壓）。所以Δ型LISN是可以直接輸出差?；蛘吖材８蓴_信號(hào)的。除此以外，還可以兼顧V型LISN的功能，用來測(cè)量非對(duì)稱電壓（Unsymmetrical Voltage），但是模擬的阻抗值仍然是150Ω。

圖2 V型LISN和Δ型LISN

兩種不同類型LISN中，V型LISN是應(yīng)用最廣泛的， V型LISN按阻抗和應(yīng)用的不同分為兩類：

-電感為5μH 的V型LISN：滿足標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-1-2、 CISPR 25、 ISO 7637以及DO160的要求，主要用于汽車、船只和飛行器電子零部件的EMI測(cè)量，如R&S ESH3-Z6(圖3)。

圖3 R&S ESH3-Z6

-電感為50μH 的V型LISN：滿足標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-1-2、 MIL STD 461 以及 ANSI C63.4的要求，主要用于消費(fèi)及軍用電子產(chǎn)品的EMI測(cè)量，如R&S ENV216(圖4)。

圖4 R&S ENV216

而Δ型LISN目前主要是應(yīng)用在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)CISPR 11中針對(duì)并網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換器類產(chǎn)品的DC輸入端口進(jìn)行騷擾電壓測(cè)試,比如常見的光伏并網(wǎng)逆變器等，Schwarzbeck的 PVDC 8300（圖5）就是典型的Δ型LISN。由于CISPR 11只要求這類產(chǎn)品的DC端測(cè)試需要使用Δ型LISN，因此也稱之為DC-AN。

圖5 Schwarzbeck PVDC 8300

圖 6 CISPR 11 中針對(duì)并網(wǎng)類電源的測(cè)試布置

因此LISN的分類歸納總結(jié)如下圖：

圖 7 LISN 分類歸納圖

03LISN為什么會(huì)引起電網(wǎng)跳閘？

在使用LISN的過程中，當(dāng)LISN連接到交流電網(wǎng)時(shí)，會(huì)觸發(fā)所在線路漏電保護(hù)器而導(dǎo)致跳閘，因而無法正常進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾測(cè)試。

這是由于LISN的結(jié)構(gòu)比較特殊，致使所在回路的漏電流達(dá)到幾百毫安或更高（特別是接入電網(wǎng)的瞬間），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了漏電保護(hù)裝置的閾值（一般為30mA），因此引起漏電保護(hù)裝置跳閘是正常的。所以無論在LISN機(jī)殼標(biāo)簽或者說明書中都有漏電流過大的說明，例如在R&S ENV216產(chǎn)品的背面有大漏電流的警告說明，警示用戶安裝LISN時(shí)要注意接地保護(hù)的處理。

圖 8 ENV216 漏電流警告說明

那LISN上的漏電流是怎樣形成的呢？

我們可以參考圖9中的R&S ENV216的電路圖，相線L或中線N都有對(duì)參考接地跨接的電容，與電感組合一起形成典型的低通濾波器，從而對(duì)來自電網(wǎng)和DUT的高頻干擾進(jìn)行濾波。由于這些電容的容量較大，在電網(wǎng)工作頻率50Hz時(shí)候的阻抗會(huì)變小，產(chǎn)生對(duì)地的漏電流因此就會(huì)增加。

理論上漏電流可以用公式 I= U/Z來計(jì)算，U是電網(wǎng)電壓，Z為相線對(duì)地的阻抗值，這里我們只考慮電容的容抗值，因此Z可用來表示，其中ω= 2πf，f = 50Hz。通過計(jì)算可以得到理論上如果要使漏電流I小于漏電保護(hù)裝置的閾值30mA，回路對(duì)地的總電容應(yīng)至少要小于0.43μF，這還是在不考慮工頻的諧波分量的情況下。但由于LISN需要模擬標(biāo)準(zhǔn)要求的阻抗和達(dá)到相應(yīng)的濾波要求，電容的設(shè)計(jì)值會(huì)遠(yuǎn)大于該計(jì)算值（可參考CISPR 16-1-2 附錄A的要求），所以LSIN對(duì)地的大漏電流是無法避免的。

圖9 R&S ENV216電路原理圖

那如何解決漏電保護(hù)器跳閘的問題呢？可以從兩方面考慮去改造電網(wǎng)：

①拆除漏電保護(hù)裝置：

拆除漏電保護(hù)裝置是最簡(jiǎn)單直接的辦法，實(shí)際就是對(duì)回路中存在的漏電流不作任何處理。一些EMC實(shí)驗(yàn)室會(huì)在特殊的試驗(yàn)場(chǎng)地把漏電保護(hù)裝置去掉。這樣一來即使有非常大的漏電流，也可以正常使用LISN。

優(yōu)點(diǎn)：

◎ 操作簡(jiǎn)單，方便。

◎ 成本低，因無需使用額外的設(shè)備。

缺點(diǎn)：

有安全隱患。當(dāng)電器出現(xiàn)故障的時(shí)候，操作人員得不到保護(hù)，同時(shí)沒有漏電保護(hù)裝置也不符合實(shí)驗(yàn)樓的電氣安全規(guī)定。

②采用隔離變壓器：

使用隔離變壓器，目的是隔離實(shí)際測(cè)試回路和電網(wǎng)回路。我們可在LISN與電網(wǎng)直接添加一個(gè)隔離變壓器，由于變壓器的初級(jí)（電網(wǎng)）和次級(jí)（LISN）在電氣上是隔離的，這樣就形成了兩個(gè)完全獨(dú)立的回路，LISN所在回路產(chǎn)生的漏電流不會(huì)通過漏電保護(hù)裝置的回路，也就無法讓其觸發(fā)。

圖10 傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試方框圖（接隔離變壓器）

優(yōu)點(diǎn)：

◎ 安全性好。首先電網(wǎng)的漏電保護(hù)裝置依然能夠起到保護(hù)作用，其次隔離變壓器的初級(jí)與次級(jí)是電氣隔離的，次級(jí)（LISN）的相線和中線對(duì)地的電位差都是零，只要操作人員不同時(shí)去觸碰相線和中線，就不會(huì)導(dǎo)致觸電事故。

◎電壓可調(diào)節(jié)。除了1:1的規(guī)格，用戶還可以使用電壓可調(diào)的隔離變壓器，方便測(cè)量不同電壓的產(chǎn)品。

04LISN如何接地？

接地是LISN安裝過程中比較重要的環(huán)節(jié)，接地不良會(huì)使測(cè)試引入較大的不確定度，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失準(zhǔn)。一般來說，由于大樓的地線是供所有室內(nèi)電子設(shè)備使用的， EMC實(shí)驗(yàn)室的地線要與其獨(dú)立分開，以避免測(cè)試時(shí)從地線引入干擾。

先簡(jiǎn)單說明一下EMC實(shí)驗(yàn)室地線的架設(shè)。EMC實(shí)驗(yàn)室的地線一般是將鍍鋅材料的扁鋼，或組成網(wǎng)狀的鍍鋅鋼管埋入地中（要求面積至少大于2平方米），深度應(yīng)大于2米，然后以鹽水澆注，引出至實(shí)驗(yàn)室的地線應(yīng)至少采用截面積為35平方毫米的銅線，或者是大面積的銅排。這樣實(shí)驗(yàn)室的接地電阻一般會(huì)小于2Ω，中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)CNAS對(duì)EMC屏蔽室的接地電阻要求是小于4Ω。

在LISN接地之前，首先要分清楚LISN上接地端子的定義，LISN一般會(huì)有兩類接地端子，分別是參考接地端和保護(hù)接地端。良好的參考端接地能夠保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而保護(hù)接地是為了確保操作人員的人身安全。以R&S ENV216為例，側(cè)面接地端是參考接地端子，而背面的接地端是保護(hù)接地端子，如圖11所示。

保護(hù)接地端子是作為電源接地的一個(gè)補(bǔ)充，由于LISN的漏電流較大，如果電源輸入端存在類似接地不良的情況，操作人員就有觸電的可能性，額外的保護(hù)接地能夠有效地保障操作人員的安全。如圖12所示，當(dāng)LISN的輸入地線意外斷開時(shí)，外殼對(duì)地會(huì)有115V的電壓差，當(dāng)人的一只手觸碰LISN外殼，另外一只手觸碰到接地點(diǎn)時(shí)，考慮到人體的電阻大約為1300Ω，那么就會(huì)有足夠大的電流流過人的身體，危害到人的生命。

圖11 R&S ENV216的兩種接地端子

圖12 由于地線意外斷開造成的人員觸電

按測(cè)試系統(tǒng)布置的要求，LISN通常直接與金屬參考板相連，可以任意選擇與水平參考板或者垂直參考板相連接，如圖13所示。

圖13 傳導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)中的LISN 接地

那LISN和金屬接地板應(yīng)該如何連接呢？

其實(shí)連接的方法有很多種，但都要確保LISN參考接地端子與金屬接地板之間的電阻（直流電阻）盡量小，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI C63.4的要求，該接地電阻要求小于2.5mΩ。

為了保證小的接地電阻，必須要加大接地的面積，圖14是R&S ENV216的接地連接案例，以L型的銅板開孔，分別在LISN和金屬板打上螺絲釘來加固，這樣LISN和接地金屬板都能夠完全的緊貼L型銅板，具有良好的接地效果。

圖14 R&S ENV216參考接地

05LISN 有什么具體的參數(shù)要求？

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) CISPR 16-1-2的要求，LISN 作為傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試的傳感器必須要滿足以下參數(shù)要求，這些列出的指標(biāo)應(yīng)該在計(jì)量報(bào)告中體現(xiàn)，具體如表1所示。

表1 CISPR 16-1-2 對(duì)LISN的參數(shù)要求

LISN 的計(jì)量除了串聯(lián)壓降一項(xiàng)要使用萬用表以外，其余的所有項(xiàng)目都可以通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成。由于LISN的電器接口并不能夠連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，因此需要特定的夾具將接電端子轉(zhuǎn)成同軸端口，如圖15 中的R&S EZ-28夾具便可以LISN計(jì)量的要求，配合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（如R&S ZNB系列）可輕松應(yīng)對(duì)LISN的計(jì)量任務(wù)。

圖 15 R&S EZ-28 LISN 計(jì)量夾具

結(jié)語

作為EMC測(cè)量最基礎(chǔ)的項(xiàng)目之一，傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試應(yīng)用是非常普遍的。用戶在配置測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)自己的測(cè)量分析對(duì)象及測(cè)量頻率來選擇正確的LISN類型，如V型和Δ型的選擇、或者V型中電感為5μH和50μH的選擇。用戶也可以參考測(cè)試規(guī)范來確定LISN的選型，如規(guī)范CISPR 16-1-2，CISPR 25和MIL-STD 461等。

在安裝使用LISN過程中，由于它的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的漏電流，從而需要進(jìn)行電網(wǎng)改造。LISN的接地也是需要重點(diǎn)關(guān)注的，安全接地能夠確保操作人員的人身安全，良好的參考接地則保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

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