開關(guān)電源的電磁干擾防制技術(shù)和傳導(dǎo)測(cè)試與輻射測(cè)試詳細(xì)概述

開關(guān)電源的電磁干擾防制技術(shù)——傳導(dǎo)篇前言電源產(chǎn)品在做驗(yàn)證時(shí)，經(jīng)常會(huì)遭遇到電磁干擾(EMI)的問題，有時(shí)處理起來需花費(fèi)非常多的時(shí)間，許多工程師在對(duì)策電磁干擾時(shí)也是經(jīng)驗(yàn)重于理論，知道哪個(gè)頻段要對(duì)策那些組件，但對(duì)于理論上的分析卻很欠缺。筆者從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)多年，希望能藉由之前對(duì)策的經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)理論基礎(chǔ)做個(gè)整理，讓目前正從事或未來想從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)的人員對(duì)電磁干擾防制技術(shù)能有初步的認(rèn)識(shí)。

開關(guān)電源的電磁干擾測(cè)試可分為傳導(dǎo)測(cè)試與輻射測(cè)試，一般開關(guān)電源的傳導(dǎo)測(cè)試頻段是指150K~30MHz之間，而輻射干擾的頻段是指30M~300MHz，300MHz之后的頻段一般皆不是電源所產(chǎn)生，因此大都可以給予忽略。

下面內(nèi)容章節(jié)包括開關(guān)電源的傳導(dǎo)測(cè)試法規(guī)，測(cè)試與量測(cè)方式，基本概念，抑制傳導(dǎo)干擾的濾波器設(shè)計(jì)，布線與變壓器設(shè)計(jì)等章節(jié)。

2傳導(dǎo)測(cè)試的法規(guī)傳導(dǎo)的法規(guī)因產(chǎn)品別的不同，其所適用之條文亦不同，一般是使用歐洲的EN-55022或是美國(guó)的FCC part15來定義其限制線，又可以區(qū)分為CLASS A與CLASS B兩種標(biāo)準(zhǔn)，CLASS A為產(chǎn)品在商業(yè)與工業(yè)區(qū)域使用，CLASS B為產(chǎn)品在住宅及家庭區(qū)域使用，筆者所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品為3C的家用電源，傳導(dǎo)測(cè)試頻段為150K~30MHz，在產(chǎn)品測(cè)試前請(qǐng)先確認(rèn)申請(qǐng)的安規(guī)為何，不同的安規(guī)與等級(jí)會(huì)有不同的標(biāo)準(zhǔn)線。

圖1舉例為EN-55022CLASS B的限制線圖，紅色線為準(zhǔn)峰值（QP, Quasi-peak）的限制線，粉紅色為平均值（AV, Average）的限制線，傳導(dǎo)測(cè)試最終的目地，就是測(cè)試的機(jī)臺(tái)可以完全的低于其限制線，不論是QP值或AV值；一般在申請(qǐng)安規(guī)時(shí)，雖然只有在限制線下方即可申請(qǐng)，但多數(shù)都會(huì)做到低于2dB的誤差以預(yù)防測(cè)試場(chǎng)地不同所導(dǎo)致的差異，而客戶端有時(shí)會(huì)要求必需低于4~6dB來預(yù)防產(chǎn)品大量生產(chǎn)后所產(chǎn)生的誤差。

圖2為一量測(cè)后的例子，一般量測(cè)時(shí)都會(huì)先用峰值量測(cè)，因峰值量測(cè)是最簡(jiǎn)單且快速的方法，量測(cè)儀器以9KHz為一單位，在150K~30MHz之間用保持最大值(maximum hold)的方式來得到傳導(dǎo)的峰值讀值，用此來確認(rèn)電源的最大峰值然后再依此去抓最高峰值的實(shí)際QP，AV值來減少掃描時(shí)間，圖2的藍(lán)色曲線為準(zhǔn)峰值的峰值量測(cè)結(jié)果，一般在峰值量測(cè)完后會(huì)再對(duì)較高的6個(gè)頻率點(diǎn)做準(zhǔn)峰值(QP)與平均值(AV)的量測(cè)，就如同圖2所標(biāo)示。

峰值與準(zhǔn)峰值的差別在于：峰值量測(cè)是不論時(shí)常出現(xiàn)或是偶爾出現(xiàn)的信號(hào)皆被以最大值的方式置在接收器的讀值中，而準(zhǔn)峰值量測(cè)是指在一時(shí)間內(nèi)取數(shù)次此頻段的脈沖信號(hào)，若某頻率的信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)率較高，才會(huì)得到較高之量測(cè)值；平均值則是對(duì)此頻段的振幅取平均值，典型的頻譜分析儀可將帶寬設(shè)定在30Hz左右來得到最真實(shí)的平均信號(hào)。

QP與AV相較于峰值，其偵測(cè)值必然較低，若一開始的峰值量測(cè)已有足夠的余度則不用再做單點(diǎn)的QP和AV量測(cè)。

現(xiàn)在的IC為了EMI傳導(dǎo)的防制，在操作頻率上都會(huì)做抖頻的功能，像是IC主頻為65KHz，但在操作時(shí)會(huì)以65KHz正負(fù)6K做變化，藉此來將差模倍頻的信號(hào)打散，不會(huì)集中在單一根頻率上，如果沒有抖頻功能，差模干擾在主頻的倍頻時(shí)會(huì)呈現(xiàn)單根很扎實(shí)的QP與AV，如同圖2的157KHz，儀器看到的峰值滿高的，但讀起來還仍有9dB以上的余度。

3傳導(dǎo)的測(cè)試與量測(cè)方式

圖3為測(cè)試傳導(dǎo)的參考圖示，此為通嘉內(nèi)部的傳導(dǎo)設(shè)備圖示，待測(cè)物接仿真負(fù)載后放于桌面上，經(jīng)由一輸入線材(AC cable)連接LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))與待測(cè)物，再將LISN的信號(hào)接至接收器，輸入線材不得與地面接觸，而待測(cè)物的負(fù)載需與待測(cè)物距離10公分，若周邊需接電源時(shí)，其電源需接獨(dú)立電源，不得與待測(cè)物使用相同電源，若電源為2PIN輸入，則輸出負(fù)載需接地以仿真系統(tǒng)下地。

LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))內(nèi)部線路如圖4所示，輸入電源來源由左邊進(jìn)入LISN后，經(jīng)由LF與CF來濾除電源的低頻噪聲，并由耦合電容CC與偵測(cè)電阻RSL/RSN來取得高頻信號(hào)Vsn，再將此信號(hào)經(jīng)接受器或頻譜分析儀來得到其振幅的大小(dBuV)。

請(qǐng)記得輸入線材不得與地面接觸，筆者曾有過輸入線材與地面接觸與否，讀值差了10dB左右的經(jīng)驗(yàn)；另外，周邊儀器的電源需使用干凈且與主電源隔離的電源，否則很容易因共地而產(chǎn)生共模干擾，許多測(cè)試場(chǎng)地會(huì)直接拿一個(gè)延長(zhǎng)線去使用外接電源給予周邊，但此種方式仍有可能因共地而被干擾，若能使其接至另一個(gè)LISN是個(gè)較好的方式，因LISN內(nèi)有LF與CF可作信號(hào)隔離。

4對(duì)策EMI傳導(dǎo)的基本概念

4.1 差模(Differential mode)信號(hào)與共模(Common mode)信號(hào)

傳導(dǎo)量測(cè)接法如圖5、圖6所示，是由接收器量測(cè)L/N/GND之間的頻率與振幅大小而成，而信號(hào)存在于L與N之間的叫差模信號(hào)，如圖5所示；而信號(hào)存在于L與FG或N與FG之間的叫共模信號(hào)，如圖6所示，也可以說與FG形成回路的就叫共模信號(hào)。

一般電源的輸入來源皆是取自L與N，因此在電源的電磁干擾設(shè)計(jì)中，差模成份的抑制極為重要，尤其是前頻段150K~1MHz大多是由開關(guān)電源的主頻與倍頻出來的差模干擾。

圖7為一未對(duì)策前的傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果，前端為IC的操作頻率所引起的倍頻差模干擾加上本體的共模干擾所形成，由圖形可看出每根峰值之間的頻率為100KHz，可判斷此IC的操作頻率為100KHz，而測(cè)量的讀值是呈現(xiàn)由IC 100KHz的倍頻做線性衰減，因此每100KHz就有一根因IC操作頻率所造成的差模干擾信號(hào)，也可以說在前頻段時(shí)，共模信號(hào)呈線性平面下降，而差模信號(hào)則迭加在共模的上方。

圖8為相同的機(jī)臺(tái)在對(duì)策后測(cè)試結(jié)果，在對(duì)策后最差都還有6dB以上的余度，已可符合多數(shù)的客戶要求。

一般在測(cè)試時(shí)，必需測(cè)試L與N兩項(xiàng)，一般L與N的讀值不會(huì)差異太大，若差異很大一般都是某項(xiàng)的共模能量較強(qiáng)所致。

測(cè)試的輸入電壓則是看申請(qǐng)的安規(guī)來決定，一般是用110V與230V來做高低壓量測(cè)；另外，產(chǎn)品在確認(rèn)傳導(dǎo)測(cè)試時(shí)皆需要做長(zhǎng)時(shí)間的燒機(jī)，有時(shí)會(huì)因燒機(jī)后磁性組件過熱導(dǎo)致感量異常而讓EMI變差。

4.2 電磁干擾，電場(chǎng)干擾與磁場(chǎng)干擾

電磁干擾(EMI, Electrical Magnetic Interference)可分為電場(chǎng)干擾與磁場(chǎng)干擾兩種，電場(chǎng)與磁場(chǎng)是兩種不同的性質(zhì)，但兩者之間的能量是會(huì)互相影響的，隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這些不斷同相振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同的形成了電磁干擾(電磁波)。

一般對(duì)于電場(chǎng)，我們可以用下面的電荷公式與電容公式來作解釋，

當(dāng)電容二端的電位在時(shí)間之內(nèi)存在一電壓差時(shí)，則會(huì)根據(jù)電荷公式(電壓／時(shí)間的變化，如圖12)而產(chǎn)生一電流，如圖11紅色箭頭所示，而任何產(chǎn)生的電流必需經(jīng)由另一路徑回到自己出發(fā)時(shí)的位置而形成一電流回路，如棕色虛線箭頭所示，此因電壓變動(dòng)造成的電流回路就會(huì)引起電場(chǎng)干擾。

因此，改善電場(chǎng)干擾的方式，就是減少其回路電流的方法，根據(jù)上面兩個(gè)公式，我們可以藉由將耦合電容減小，像是減少兩個(gè)導(dǎo)體之間接觸的面積／增加其距離／變更中間的介質(zhì)等方式來減少電容效應(yīng)，或是減小電壓差或時(shí)間變化率來減少電場(chǎng)感應(yīng)。