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開關電源中電磁干擾防制辦法

發布時間:2018年05月24日瀏覽次數:

DCDC電源產品在做驗證時,經常會遭遇到電磁干擾(EMI)的問題,有時處理起來需花費非常多的時間,許多工程師在對策電磁干擾時也是經驗重于理論,知道哪個頻段要對策那些組件,但對于理論上的分析卻很欠缺。從事開關電源設計多年,希望能藉由之前對策的經驗與相關理論基礎做個整理,讓目前正從事或未來想從事開關電源設計的人員對電磁干擾防制技術能有初步的認識。
特殊訂制開關電源的電磁干擾測試可分為傳導測試與輻射測試,一般定制非標開關電源的傳導測試頻段是指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生,因此大都可以給予忽略。

下面介紹包括開關電源的傳導測試法規,測試與量測方式,基本概念,抑制傳導干擾的濾波器設計,布線與變壓器設計等。

2 傳導測試的法規
 
傳導的法規因產品別的不同,其所適用之條文亦不同,一般是使用歐洲的EN-55022或是美國的FCC part15來定義其限制線,又可以區分為CLASS A與CLASS B兩種標準,CLASS A為產品在商業與工業區域使用,CLASS B為產品在住宅及家庭區域使用,筆者所設計的產品為3C的家用電源,傳導測試頻段為150K~30MHz,在產品測試前請先確認申請的安規為何,不同的安規與等級會有不同的標準線。

舉例為EN-55022 CLASS B的限制線圖,紅色線為準峰值(QP, Quasi-peak)的限制線,粉紅色為平均值(AV, Average)的限制線,傳導測試最終的目地,就是測試的機臺可以完全的低于其限制線,不論是QP值或AV值;一般在申請安規時,雖然只有在限制線下方即可申請,但多數都會做到低于2dB的誤差以預防測試場地不同所導致的差異,而客戶端有時會要求必需低于4~6dB來預防產品大量生產后所產生的誤差。

為一量測后的例子,一般量測時都會先用峰值量測,因峰值量測是最簡單且快速的方法,量測儀器以9KHz為一單位,在150K~30MHz之間用保持最大值(maximum hold)的方式來得到傳導的峰值讀值,用此來確認電源的最大峰值然后再依此去抓最高峰值的實際QP,AV值來減少掃描時間,圖2的藍色曲線為準峰值的峰值量測結果,一般在峰值量測完后會再對較高的6個頻率點做準峰值(QP)與平均值(AV)的量測,就如同圖2所標示。

峰值與準峰值的差別在于:峰值量測是不論時常出現或是偶爾出現的信號皆被以最大值的方式置在接收器的讀值中,而準峰值量測是指在一時間內取數次此頻段的脈沖信號,若某頻率的信號在一段時間內重復出現率較高,才會得到較高之量測值;平均值則是對此頻段的振幅取平均值,典型的頻譜分析儀可將帶寬設定在30Hz左右來得到最真實的平均信號。

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

現在的IC為了EMI傳導的防制,在操作頻率上都會做抖頻的功能,像是IC主頻為65KHz,但在操作時會以65KHz正負6K做變化,藉此來將差模倍頻的信號打散,不會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會呈現單根很扎實的QP與AV,如同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 傳導的測試與量測方式

為測試傳導的參考圖示,此為通嘉內部的傳導設備圖示,待測物接仿真負載后放于桌面上,經由一輸入線材(AC cable)連接LISN(線性阻抗穩定網絡)與待測物,再將LISN的信號接至接收器,輸入線材不得與地面接觸,而待測物的負載需與待測物距離10公分,若周邊需接電源時,其電源需接獨立電源,不得與待測物使用相同電源,若電源為2PIN輸入,則輸出負載需接地以仿真系統下地。

LISN(線性阻抗穩定網絡)內部線路,輸入電源來源由左邊進入LISN后,經由LF與CF來濾除電源的低頻噪聲,并由耦合電容CC與偵測電阻RSL/RSN來取得高頻信號Vsn,再將此信號經接受器或頻譜分析儀來得到其振幅的大小(dBuV)。

請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左右的經驗;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生共模干擾,許多測試場地會直接拿一個延長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LISN是個較好的方式,因LISN內有LF與CF可作信號隔離。

4 對策EMI傳導的基本概念

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

傳導量測接法是由接收器量測L/N/GND之間的頻率與振幅大小而成,而信號存在于L與N之間的叫差模信號,而信號存在于L與FG或N與FG之間的叫共模信號,也可以說與FG形成回路的就叫共模信號。

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計中,差模成份的抑制極為重要,尤其是前頻段150K~1MHz大多是由開關電源的主頻與倍頻出來的差模干擾。

為一未對策前的傳導測試結果,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,而測量的讀值是呈現由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,也可以說在前頻段時,共模信號呈線性平面下降,而差模信號則迭加在共模的上方。

相同的機臺在對策后測試結果,在對策后最差都還有6dB以上的余度,已可符合多數的客戶要求。

一般在測試時,必需測試L與N兩項,一般L與N的讀值不會差異太大,若差異很大一般都是某項的共模能量較強所致。

測試的輸入電壓則是看申請的安規來決定,一般是用110V與230V來做高低壓量測;另外,產品在確認傳導測試時皆需要做長時間的燒機,有時會因燒機后磁性組件過熱導致感量異常而讓EMI變差。

4.2 電磁干擾,電場干擾與磁場干擾

電磁干擾(EMI, Electrical Magnetic Interference)可分為電場干擾與磁場干擾兩種,電場與磁場是兩種不同的性質,但兩者之間的能量是會互相影響的,隨時間變化的電場會產生磁場,而隨時間變化的磁場也會產生電場,這些不斷同相振蕩的電場和磁場共同的形成了電磁干擾(電磁波)。

一般對于電場,我們可以用電荷公式與電容公式來作解釋,

簡單來說,任何的導體在電場下都可等效成一個帶電的電容,其容值隨著與周邊另一個導體之間的距離/表面積/介質不同而有差異;兩導體之間的電容圖示,綠色導體與藍色導體所等效的電容,根據電容公式,容值會因兩導體之間的距離愈遠而變小,也會因兩導體之間的截面積愈大而增大,而兩導體之間的介質(介電系數)也會影響容值的大小。

當電容二端的電位在時間之內存在一電壓差時,則會根據電荷公式(電壓/時間的變化)而產生一電流,而任何產生的電流必需經由另一路徑回到自己出發時的位置而形成一電流回路,此因電壓變動造成的電流回路就會引起電場干擾。

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

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