一文解析LISN人工电源网络

#R&S技术科普

电磁兼容（EMC, Electro-magnetic Compatibility）标准是现代电子产品设计过程中必须通过的一个门槛。大部分电子产品的出口（或进口）认证过程中都会涉及到EMC测量，如欧盟CE认证、美国FCC认证和中国3C认证等，最为常见的EMC测试就是电源端传导骚扰电压 。人工电源网络是传导骚扰电压测试系统中的重要组成部分 ，主要负责将干扰电压耦合至 EMI 测量接收机进行测量与分析。

01LISN是什么? 

人工电源网络简称LISN（Line impedance stabilization network）或AMN(Artificial Mains Network)是传导电压骚扰测量的主要工具。在传导骚扰电压测试布置中，待测物的电源供电端连接到LISN的电源输出，LISN的电源输入连接到电网，LISN的射频输出连接到EMI测量接收机，如图1所示。

图1 传导骚扰电压测试方框图

在传导骚扰电压测试中，LISN主要有以下作用：

提供待测设备（DUT）的供电（AC/DC）

将待测设备（DUT）产生的骚扰电压耦合到测量接收机

提供稳定的输入阻抗作为测量标准

具有滤波功能，防止电网与待测物（DUT）之间的相互干扰

02LISN 如何分类？ 

常见的LISN可以分为两类：V型LISN和Δ型LISN。用户需要根据自己的产品测试需求来选择对应的LISN类型。

V型LISN：

模拟阻抗为50Ω的人工电源网络，用来测量非对称电压（Unsymmetrical Voltage），即每根导线或端子与规定的接地基准之间的射频骚扰电压。由于每根导线或端子都会流过共模与差模电流，所以测量的结果并不区分差模电压或者共模电压，结果是两种干扰的矢量叠加。如果需要使用V型LISN进行差模或者共模干扰的测试，需要借助额外的差共模分离装置，比如Schwarzbeck的CMDM 8700。

Δ型LISN：

模拟阻抗为150Ω的人工电源网络，用来测量对称电压（Symmetrical Voltage），即两根导线或端子之间的射频骚扰电压（差模电压）；也可测量不对称电压（Asymmetrical Voltage），即两根导线的电气中点与参考地之间的射频骚扰电压（共模电压）。所以Δ型LISN是可以直接输出差模或者共模干扰信号的。除此以外，还可以兼顾V型LISN的功能，用来测量非对称电压（Unsymmetrical Voltage），但是模拟的阻抗值仍然是150Ω。

图2 V型LISN和Δ型LISN

两种不同类型LISN中，V型LISN是应用最广泛的， V型LISN按阻抗和应用的不同分为两类：

-电感为5μH 的V型LISN：满足标准CISPR 16-1-2、 CISPR 25、 ISO 7637以及DO160的要求，主要用于汽车、船只和飞行器电子零部件的EMI测量，如R&S ESH3-Z6(图3)。

图3 R&S ESH3-Z6

-电感为50μH 的V型LISN：满足标准CISPR 16-1-2、 MIL STD 461 以及 ANSI C63.4的要求，主要用于消费及军用电子产品的EMI测量，如R&S ENV216(图4)。

图4 R&S ENV216

而Δ型LISN目前主要是应用在产品标准CISPR 11中针对并网电源转换器类产品的DC输入端口进行骚扰电压测试,比如常见的光伏并网逆变器等，Schwarzbeck的 PVDC 8300（图5）就是典型的Δ型LISN。由于CISPR 11只要求这类产品的DC端测试需要使用Δ型LISN，因此也称之为DC-AN。

图5 Schwarzbeck PVDC 8300

图 6 CISPR 11 中针对并网类电源的测试布置

因此LISN的分类归纳总结如下图：

图 7 LISN 分类归纳图

03LISN为什么会引起电网跳闸？ 

在使用LISN的过程中，当LISN连接到交流电网时，会触发所在线路漏电保护器而导致跳闸，因而无法正常进行传导骚扰测试。

这是由于LISN的结构比较特殊，致使所在回路的漏电流达到几百毫安或更高（特别是接入电网的瞬间），远远超出了漏电保护装置的阈值（一般为30mA），因此引起漏电保护装置跳闸是正常的。所以无论在LISN机壳标签或者说明书中都有漏电流过大的说明，例如在R&S ENV216产品的背面有大漏电流的警告说明，警示用户安装LISN时要注意接地保护的处理。

图 8 ENV216 漏电流警告说明

那LISN上的漏电流是怎样形成的呢？

我们可以参考图9中的R&S ENV216的威廉希尔官方网站 图，相线L或中线N都有对参考接地跨接的电容，与电感组合一起形成典型的低通滤波器，从而对来自电网和DUT的高频干扰进行滤波。由于这些电容的容量较大，在电网工作频率50Hz时候的阻抗会变小，产生对地的漏电流因此就会增加。

理论上漏电流可以用公式 I= U/Z来计算，U是电网电压，Z为相线对地的阻抗值，这里我们只考虑电容的容抗值，因此Z可用来表示，其中ω= 2πf，f = 50Hz。通过计算可以得到理论上如果要使漏电流I小于漏电保护装置的阈值30mA，回路对地的总电容应至少要小于0.43μF，这还是在不考虑工频的谐波分量的情况下。但由于LISN需要模拟标准要求的阻抗和达到相应的滤波要求，电容的设计值会远大于该计算值（可参考CISPR 16-1-2 附录A的要求），所以LSIN对地的大漏电流是无法避免的。

图9 R&S ENV216威廉希尔官方网站 原理图

那如何解决漏电保护器跳闸的问题呢？可以从两方面考虑去改造电网：

①拆除漏电保护装置：

拆除漏电保护装置是最简单直接的办法，实际就是对回路中存在的漏电流不作任何处理。一些EMC实验室会在特殊的试验场地把漏电保护装置去掉。这样一来即使有非常大的漏电流，也可以正常使用LISN。

优点：

◎ 操作简单，方便。

◎ 成本低，因无需使用额外的设备。

缺点：

有安全隐患。当电器出现故障的时候，操作人员得不到保护，同时没有漏电保护装置也不符合实验楼的电气安全规定。

②采用隔离变压器：

使用隔离变压器，目的是隔离实际测试回路和电网回路。我们可在LISN与电网直接添加一个隔离变压器，由于变压器的初级（电网）和次级（LISN）在电气上是隔离的，这样就形成了两个完全独立的回路，LISN所在回路产生的漏电流不会通过漏电保护装置的回路，也就无法让其触发。

图10 传导骚扰电压测试方框图（接隔离变压器）

优点：

◎ 安全性好。首先电网的漏电保护装置依然能够起到保护作用，其次隔离变压器的初级与次级是电气隔离的，次级（LISN）的相线和中线对地的电位差都是零，只要操作人员不同时去触碰相线和中线，就不会导致触电事故。

◎ 电压可调节。除了1:1的规格，用户还可以使用电压可调的隔离变压器，方便测量不同电压的产品。

04LISN如何接地？ 

接地是LISN安装过程中比较重要的环节，接地不良会使测试引入较大的不确定度，导致测试结果失准。一般来说，由于大楼的地线是供所有室内电子设备使用的， EMC实验室的地线要与其独立分开，以避免测试时从地线引入干扰。

先简单说明一下EMC实验室地线的架设。EMC实验室的地线一般是将镀锌材料的扁钢，或组成网状的镀锌钢管埋入地中（要求面积至少大于2平方米），深度应大于2米，然后以盐水浇注，引出至实验室的地线应至少采用截面积为35平方毫米的铜线，或者是大面积的铜排。这样实验室的接地电阻一般会小于2Ω，中国合格评定国家认可委员会CNAS对EMC屏蔽室的接地电阻要求是小于4Ω。

在LISN接地之前，首先要分清楚LISN上接地端子的定义，LISN一般会有两类接地端子，分别是参考接地端和保护接地端。良好的参考端接地能够保证测量结果的准确性，而保护接地是为了确保操作人员的人身安全。以R&S ENV216为例，侧面接地端是参考接地端子，而背面的接地端是保护接地端子，如图11所示。

保护接地端子是作为电源接地的一个补充，由于LISN的漏电流较大，如果电源输入端存在类似接地不良的情况，操作人员就有触电的可能性，额外的保护接地能够有效地保障操作人员的安全。如图12所示，当LISN的输入地线意外断开时，外壳对地会有115V的电压差，当人的一只手触碰LISN外壳，另外一只手触碰到接地点时，考虑到人体的电阻大约为1300Ω，那么就会有足够大的电流流过人的身体，危害到人的生命。

图11 R&S ENV216的两种接地端子

图12 由于地线意外断开造成的人员触电

按测试系统布置的要求，LISN通常直接与金属参考板相连，可以任意选择与水平参考板或者垂直参考板相连接，如图13所示。

图13 传导测试系统中的LISN 接地

那LISN和金属接地板应该如何连接呢？

其实连接的方法有很多种，但都要确保LISN参考接地端子与金属接地板之间的电阻（直流电阻）尽量小，根据美国国家标准ANSI C63.4的要求，该接地电阻要求小于2.5mΩ。

为了保证小的接地电阻，必须要加大接地的面积，图14是R&S ENV216的接地连接案例，以L型的铜板开孔，分别在LISN和金属板打上螺丝钉来加固，这样LISN和接地金属板都能够完全的紧贴L型铜板，具有良好的接地效果。

图14 R&S ENV216参考接地

05LISN 有什么具体的参数要求？ 

根据标准 CISPR 16-1-2的要求，LISN 作为传导骚扰电压测试的传感器必须要满足以下参数要求，这些列出的指标应该在计量报告中体现，具体如表1所示。

表1 CISPR 16-1-2 对LISN的参数要求

LISN 的计量除了串联压降一项要使用万用表以外，其余的所有项目都可以通过矢量网络分析仪来完成。由于LISN的电器接口并不能够连接到矢量网络分析仪进行测试，因此需要特定的夹具将接电端子转成同轴端口，如图15 中的R&S EZ-28夹具便可以LISN计量的要求，配合矢量网络分析仪（如R&S ZNB系列）可轻松应对LISN的计量任务。

图 15 R&S EZ-28 LISN 计量夹具

结语

作为EMC测量最基础的项目之一，传导骚扰电压测试应用是非常普遍的。用户在配置测试系统时，要根据自己的测量分析对象及测量频率来选择正确的LISN类型，如V型和Δ型的选择、或者V型中电感为5μH和50μH的选择。用户也可以参考测试规范来确定LISN的选型，如规范CISPR 16-1-2，CISPR 25和MIL-STD 461等。

在安装使用LISN过程中，由于它的特殊结构会产生较大的漏电流，从而需要进行电网改造。LISN的接地也是需要重点关注的，安全接地能够确保操作人员的人身安全，良好的参考接地则保证了测试的准确性。

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