開關電源的電磁干擾防制技術——傳導篇前言電源產(chǎn)品在做驗證時，經(jīng)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(jīng)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。筆者從事開關電源設計多年，希望能藉由之前對策的經(jīng)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。

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(chǎn)生，因此大都可以給予忽略。

下面內(nèi)容章節(jié)包括開關電源的傳導測試法規(guī)，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章節(jié)。

2傳導測試的法規(guī)傳導的法規(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兩種標準，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，筆者所設計的產(chǎn)品為3C的家用電源，傳導測試頻段為150K~30MHz，在產(chǎn)品測試前請先確認申請的安規(guī)為何，不同的安規(guī)與等級會有不同的標準線。

圖1舉例為EN-55022CLASS 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(guī)時，雖然只有在限制線下方即可申請，但多數(shù)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(chǎn)品大量生產(chǎn)后所產(chǎn)生的誤差。

圖2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(xiàn)或是偶爾出現(xiàn)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(nèi)取數(shù)次此頻段的脈沖信號，若某頻率的信號在一段時間內(nèi)重復出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)單根很扎實的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傳導的測試與量測方式

圖3為測試傳導的參考圖示，此為通嘉內(nèi)部的傳導設備圖示，待測物接仿真負載后放于桌面上，經(jīng)由一輸入線材(AC cable)連接LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡)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(tǒng)下地。

LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡)內(nèi)部線路如圖4所示，輸入電源來源由左邊進入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與偵測電阻RSL/RSN來取得高頻信號Vsn，再將此信號經(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(nèi)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

傳導量測接法如圖5、圖6所示，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，如圖5所示；而信號存在于L與FG或N與FG之間的叫共模信號，如圖6所示，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。

圖7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(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，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。

圖8為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(shù)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(guī)來決定，一般是用110V與230V來做高低壓量測；另外，產(chǎn)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(chǎn)生磁場，而隨時間變化的磁場也會產(chǎn)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，我們可以用下面的電荷公式與電容公式來作解釋，

當電容二端的電位在時間之內(nèi)存在一電壓差時，則會根據(jù)電荷公式(電壓／時間的變化，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(jù)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。