开关电源的电磁干扰防制技术——传导篇

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1前言
       
        电源产品在做验证时，经常会遭遇到电磁干扰（EMI）的问题，有时处理起来需花费非常多的时间，许多工程师在对策电磁干扰时也是经验重于理论，知道哪个频段要对策那些组件，但对于理论上的分析却很欠缺。笔者从事开关电源设计多年，希望能藉由之前对策的经验与相关理论基础做个整理，让目前正从事或未来想从事开关电源设计的人员对电磁干扰防制技术能有初步的认识。
       
        开关电源的电磁干扰测试可分为传导测试与辐射测试，一般开关电源的传导测试频段是指150K~30MHz之间，而辐射干扰的频段是指30M~300MHz，300MHz之后的频段一般皆不是电源所产生，因此大都可以给予忽略。
       
        下面内容章节包括开关电源的传导测试法规，测试与量测方式，基本概念，抑制传导干扰的滤波器设计，布线与变压器设计等章节。
       
        2传导测试的法规
       
        传导的法规因产品别的不同，其所适用之条文亦不同，一般是使用欧洲的EN-55022或是美国的FCC part15来定义其限制线，又可以区分为CLASS A与CLASS B两种标准，CLASS A为产品在商业与工业区域使用，CLASS B为产品在住宅及家庭区域使用，笔者所设计的产品为3C的家用电源，传导测试频段为150K~30MHz，在产品测试前请先确认申请的安规为何，不同的安规与等级会有不同的标准线。
       
        图1举例为EN-55022 CLASS B的限制线图，红色线为准峰值（QP，Quasi-peak）的限制线，粉红色为平均值（AV，Average）的限制线，传导测试最终的目地，就是测试的机台可以完全的低于其限制线，不论是QP值或AV值；一般在申请安规时，虽然只有在限制线下方即可申请，但多数都会做到低于2dB的误差以预防测试场地不同所导致的差异，而客户端有时会要求必需低于4~6dB来预防产品大量生产后所产生的误差。
       
       
        图1
       
        图2
       
        图2为一量测后的例子，一般量测时都会先用峰值量测，因峰值量测是最简单且快速的方法，量测仪器以9KHz为一单位，在150K~30MHz之间用保持最大值（maximum hold）的方式来得到传导的峰值读值，用此来确认电源的最大峰值然后再依此去抓最高峰值的实际QP，AV值来减少扫描时间，图2的蓝色曲线为准峰值的峰值量测结果，一般在峰值量测完后会再对较高的6个频率点做准峰值（QP）与平均值（AV）的量测，就如同图2所标示。
       
        峰值与准峰值的差别在于：峰值量测是不论时常出现或是偶尔出现的信号皆被以最大值的方式置在接收器的读值中，而准峰值量测是指在一时间内取数次此频段的脉冲信号，若某频率的信号在一段时间内重复出现率较高，才会得到较高之量测值；平均值则是对此频段的振幅取平均值，典型的频谱分析仪可将带宽设定在30Hz左右来得到最真实的平均信号。
       
        QP与AV相较于峰值，其侦测值必然较低，若一开始的峰值量测已有足够的余度则不用再做单点的QP和AV量测。
       
        现在的IC为了EMI传导的防制，在操作频率上都会做抖频的功能，像是IC主频为65KHz，但在操作时会以65KHz正负6K做变化，藉此来将差模倍频的信号打散，不会集中在单一根频率上，如果没有抖频功能，差模干扰在主频的倍频时会呈现单根很扎实的QP与AV，如同图2的157KHz，仪器看到的峰值满高的，但读起来还仍有9dB以上的余度。