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開(kāi)關電(diàn)源中電(diàn)磁幹擾防制(zhì)辦法

發布時(shí)間(jiān):2018年(nián)05月(yuè)24日(rì)浏覽次數(shù):

DCDC電(diàn)源産品在做(zuò)驗證時(shΩ∑±í),經常會(huì)遭遇到(dào)電(diàn)磁幹擾(EMI)的(de©λ♥✔)問(wèn)題,有(yǒu)時(shí±↓)處理(lǐ)起來(lái)需花(huā)費(fè★<βαi)非常多(duō)的(de)時(shí)間(jiān),許多(duō)¥€工(gōng)程師(shī)在對(duì)策電(diàn)磁幹擾時©$<(shí)也(yě)是(shì)經驗重于理(l≠ ≤ǐ)論,知(zhī)道(dào)哪個(gè✘★)頻(pín)段要(yào)對(duì)策那(nà)些(xiē)×¥‌組件(jiàn),但(dàn)對(duì)于理(lǐ)論上(shàng)的($•de)分(fēn)析卻很(hěn)欠缺。從(cóng)事(shì✘♣)開(kāi)關電(diàn)源設計(j¥φ€≤ì)多(duō)年(nián),希望能(néng≈↓εε)藉由之前對(duì)策的(de)經驗與相(xiàng)關理(lǐ)論基∞'★礎做(zuò)個(gè)整理(lǐ),讓目前正從(cóng)事σ♦(shì)或未來(lái)想從(cóng)事(shì)開​÷(kāi)關電(diàn)源設計(jì)的(de)人(rén)員(y&¥​uán)對(duì)電(diàn)磁幹擾防制(zhì)技(§ jì)術(shù)能(néng)有(yǒu)初步的(Ω↕δγde)認識。
特殊訂制(zhì)開(kāi)關電(diàn♠↔)源的(de)電(diàn)磁幹擾測試可(kě)分(fēn)為₽ε (wèi)傳導測試與輻射測試,一(yī)般定制(z‍"hì)非标開(kāi)關電(diàn)源的(de)傳導測試頻(pín)段是(s∏'₹hì)指150K~30MHz之間(jiān),而輻射幹擾的(de ±)頻(pín)段是(shì)指30M~300MHδ↑z,300MHz之後的(de)頻(pín)段一(yī)般皆不(λ bù)是(shì)電(diàn)源所産生(shē‍•Ω‍ng),因此大(dà)都(dōu)可(kě)以✘ &給予忽略。

下(xià)面介紹包括開(kāi)關電(di±γàn)源的(de)傳導測試法規,測試與量測α•方式,基本概念,抑制(zhì)傳導幹擾的(de)濾波器(qì)設計(j§↓ì),布線與變壓器(qì)設計(jì)等。

2 傳導測試的(de)法規
 
傳導的(de)法規因産品别的(de)不(bù)同,其所适用(yòng♠✘ ♦)之條文(wén)亦不(bù)同,一(y‍♦ī)般是(shì)使用(yòng)歐洲的(de)EN-55022或是(sh¥₩ì)美(měi)國(guó)的(de)FCC part15₩©&來(lái)定義其限制(zhì)線,又(yòu)可(γ<kě)以區(qū)分(fēn)為(wèi)CLASS A與C≠←×LASS B兩種标準,CLASS A為(wèi)産品在商業(yè)與工(gō↑ε•ng)業(yè)區(qū)域使用(yòng),CLAS↕♠€S B為(wèi)産品在住宅及家(jiā)庭區(qū)域使用(yòng©♥),筆(bǐ)者所設計(jì)的(de)産品為 ¶£λ(wèi)3C的(de)家(jiā)用(yòng)γ∑₩¥電(diàn)源,傳導測試頻(pín)段為(wèi)150K~30✘₩MHz,在産品測試前請(qǐng)先确認申請(qǐng)的(d₹∞™→e)安規為(wèi)何,不(bù)同的(de)安規與等☆♠級會(huì)有(yǒu)不(bù)同的(de)标準線。

舉例為(wèi)EN-55022 CLASS B的(de)限制(zhì"$ε)線圖,紅(hóng)色線為(wèi)準峰值(Q∏​P, Quasi-peak)的(de)限制(zhì)™σ線,粉紅(hóng)色為(wèi)平均值(AV★', Average)的(de)限制(zhì)線,傳導測γ₩π∞試最終的(de)目地(dì),就(jiù)是(shì)測試的(de)機Ω≥(jī)台可(kě)以完全的(de)低(dī)于其限制(zhì)線,不(₩© bù)論是(shì)QP值或AV值;一(yī)般在申請(≤‌↕ qǐng)安規時(shí),雖然隻有(yǒu)在限制(zhì)線₩×下(xià)方即可(kě)申請(qǐng),但(dàn)多(du₹→ō)數(shù)都(dōu)會(huì)做(zuò)到(dào"β‍)低(dī)于2dB的(de)誤差以預防測試場(chǎng)地(dì ∏)不(bù)同所導緻的(de)差異,而客戶端有(yǒu)時(shí)會(huì‍‌★α)要(yào)求必需低(dī)于4~6dB來(lái)預✔ 防産品大(dà)量生(shēng)産後所産生(shēng)的(de)誤差。

為(wèi)一(yī)量測後的(de)例子(zǐ),一(yī)般量測↑ε時(shí)都(dōu)會(huì)先用(yònεα€♠g)峰值量測,因峰值量測是(shì)最簡單且快₹₽‌(kuài)速的(de)方法,量測儀器(qìσ™₹™)以9KHz為(wèi)一(yī)單位,在150≤$K~30MHz之間(jiān)用(yòng)保持最大(dα₩♥₩à)值(maximum hold)的(de)方式來(lái)得(de)÷★≥δ到(dào)傳導的(de)峰值讀(dú)值,用(y×♠₩òng)此來(lái)确認電(diàn)源的(de)最大(dà)峰值然後再π÷✘依此去(qù)抓最高(gāo)峰值的(de)實際QP,AV值來(lái)減∏↓ 少(shǎo)掃描時(shí)間(jiān),圖2的(de)藍(lánπ≤π™)色曲線為(wèi)準峰值的(de)峰值量測結果,一(yī✘"‌£)般在峰值量測完後會(huì)再對(duì)較高(gāo)的(α☆≤de)6個(gè)頻(pín)率點做(zuò)準峰值(QP)與平均值(≠€↔AV)的(de)量測,就(jiù)如(rú)同圖2所标示€∏βφ。

峰值與準峰值的(de)差别在于:峰值量測是σ$(shì)不(bù)論時(shí)常出現(xi☆↔₹γàn)或是(shì)偶爾出現(xiàn)的(de)信号皆被以最大↔∑✘®(dà)值的(de)方式置在接收器(qì)的(de)讀(dú₹δ)值中,而準峰值量測是(shì)指在一(yī)時(shí)間(jiān)內(nΩ ¶èi)取數(shù)次此頻(pín)段的(de)脈沖信号,若某頻(pín)率±'的(de)信号在一(yī)段時(shí)間(j₽→iān)內(nèi)重複出現(xiàn)率較高(gā♥≠>₹o),才會(huì)得(de)到(dào)較高(gāo)​™<γ之量測值;平均值則是(shì)對(duì)此頻(pín)段的(de®∞→)振幅取平均值,典型的(de)頻(pín)譜分(fēn)析儀可(kě)将€'≥帶寬設定在30Hz左右來(lái)得(de)到(dào)最真實的(→§de)平均信号。

QP與AV相(xiàng)較于峰值,其偵測值必然較低(dī),若一(yī)開← ≥(kāi)始的(de)峰值量測已有(yǒu)足夠£γ的(de)餘度則不(bù)用(yòng)再做(zuò)單點的(de)QP和(÷α♣hé)AV量測。

現(xiàn)在的(de)IC為(wèi)了(le)EMI傳導的(dσ÷e)防制(zhì),在操作(zuò)頻(pín)率上(shà♥✘ng)都(dōu)會(huì)做(zuò)抖頻(pín)的β'∞(de)功能(néng),像是(shì)IC主頻(pín)為(wèi)γΩ65KHz,但(dàn)在操作(zuò)時(shí)會(huì)以65KH≤‍z正負6K做(zuò)變化(huà),藉此來(lái)将差模倍頻(≈≈÷‌pín)的(de)信号打散,不(bù)會(huì)集中♦¥π在單一(yī)根頻(pín)率上(shàng),如(rσ±ú)果沒有(yǒu)抖頻(pín)功能(néng),差模↑&幹擾在主頻(pín)的(de)倍頻(pín)時(shí)會(huì)呈現(x§σπiàn)單根很(hěn)紮實的(de)QP與A∏←•V,如(rú)同157KHz,儀器(qì)看(kàn)到(dào)的(∑×αde)峰值滿高(gāo)的(de),但(€♣dàn)讀(dú)起來(lái)還(há← ×>i)仍有(yǒu)9dB以上(shàng)的(de)餘度。

3 傳導的(de)測試與量測方式

為(wèi)測試傳導的(de)參考圖示,此為(wèi)通α$α​(tōng)嘉內(nèi)部的(de)傳導設↔≤®備圖示,待測物(wù)接仿真負載後放(fàng)于桌面上(shànπαεg),經由一(yī)輸入線材(AC cable)連接LISε N(線性阻抗穩定網絡)與待測物(wù),再将LISN的(de)信号接至接收器λ®©(qì),輸入線材不(bù)得(de)與地(d"¥£ì)面接觸,而待測物(wù)的(de)負載需與待測物(wù)距離(✘÷ ↑lí)10公分(fēn),若周邊需接電(diàn)源時(shí),其電(d'$÷✔iàn)源需接獨立電(diàn)源,不( ↓←bù)得(de)與待測物(wù)使用(yòng)相φλ(xiàng)同電(diàn)源,若電(diàn↕δ)源為(wèi)2PIN輸入,則輸出負載← 需接地(dì)以仿真系統下(xià)地(dì)。

LISN(線性阻抗穩定網絡)內(nèi)部線路(lù),輸入電(d $iàn)源來(lái)源由左邊進入LISN後,經由LF與CF來(lái)λ✘濾除電(diàn)源的(de)低(dī)頻(pín)噪聲,并由✔∏耦合電(diàn)容CC與偵測電(diàn)δ"£阻RSL/RSN來(lái)取得(de)高(gāo±∏€σ)頻(pín)信号Vsn,再将此信号經接受器(qì)或頻(p×≤ ín)譜分(fēn)析儀來(lái)得(de)到(dào)其振幅的÷‌(de)大(dà)小(xiǎo)(dBuV)。

請(qǐng)記得(de)輸入線材不(bù)得(de)與地(d₽↓βì)面接觸,筆(bǐ)者曾有(yǒu)過輸入線材與地(dì)面接觸Ωβ↔¶與否,讀(dú)值差了(le)10dB左右的(de)經驗;另外(wài),周邊©π儀器(qì)的(de)電(diàn)源需使用(yòng)幹淨且與主電(dià↕✘αλn)源隔離(lí)的(de)電(diàn)源,否則很(hěn)容易因共地(d βγì)而産生(shēng)共模幹擾,許多(duō)測試場∏ ₽←(chǎng)地(dì)會(huì)直接拿(ná)一(yī)個∑σ¥₩(gè)延長(cháng)線去(qù)使用(yòng)外(wài&∏✔)接電(diàn)源給予周邊,但(dàn)此種方式仍有(yǒu)可∞£¥(kě)能(néng)因共地(dì)而被幹擾,若能(néng)使其♦≠接至另一(yī)個(gè)LISN是(shì)個(gè)較好(Ω↔‌hǎo)的(de)方式,因LISN內(nèi)♦‌"​有(yǒu)LF與CF可(kě)作(zuò)信号隔離(lí)∑₹。

4 對(duì)策EMI傳導的(de)基本概念

4.1 差模(Differential mode)信号與共模(Common m$<‌ode)信号

傳導量測接法是(shì)由接收器(qì)量測L/↔∑N/GND之間(jiān)的(de)頻(pín>™$)率與振幅大(dà)小(xiǎo)而成,而信号存<♦©★在于L與N之間(jiān)的(de)叫差模信号,而信号存在于÷↔L與FG或N與FG之間(jiān)的(de)叫共模信$¥₽©号,也(yě)可(kě)以說(shuō)與FGσα形成回路(lù)的(de)就(jiù)叫共模信号。

一(yī)般電(diàn)源的(de)輸入來(lái)源皆是(sh‍✘↓ì)取自(zì)L與N,因此在電(diàn)源的(de)電(di→ε←àn)磁幹擾設計(jì)中,差模成份的(de)抑♣$€∞制(zhì)極為(wèi)重要(yào),尤其是(sh↑÷ì)前頻(pín)段150K~1MHz大(dà)多(du£♦ε✘ō)是(shì)由開(kāi)關電(diàn)源的(de)主頻(p≠&ín)與倍頻(pín)出來(lái)的(de)差模₽↑幹擾。

為(wèi)一(yī)未對(duì)策前的(de)傳導測試©×‍✔結果,前端為(wèi)IC的(de)操作(zuò)頻(pín""♦£)率所引起的(de)倍頻(pín)差模幹∞λ擾加上(shàng)本體(tǐ)的(de)共模幹擾所形成,由圖形可(kě)看  (kàn)出每根峰值之間(jiān)的(de)頻(pín)率為(wèi)‌™100KHz,可(kě)判斷此IC的(de)操作(zuò)頻(pín)₹§ε€率為(wèi)100KHz,而測量的(d$π✔e)讀(dú)值是(shì)呈現(xiàn)由IC 100KHz的(deβ£)倍頻(pín)做(zuò)線性衰減,因此每100KHz就(j¶$♠εiù)有(yǒu)一(yī)根因IC操作(zuò)頻(pín•☆ )率所造成的(de)差模幹擾信号,也(yě)可(kě•₽)以說(shuō)在前頻(pín)段時(shí),共模信号呈線性平±♥↕面下(xià)降,而差模信号則叠加在共模的(de)上₹☆β(shàng)方。

相(xiàng)同的(de)機(jī)台在對(duì)策後  測試結果,在對(duì)策後最差都(dōu)還(hái)有(yǒu) σ↓6dB以上(shàng)的(de)餘度,已可(kě)λ£¥ 符合多(duō)數(shù)的(de)客戶要(yào ∞)求。

一(yī)般在測試時(shí),必需測試L與N兩項,一(yī)般L與N的(de★®≈)讀(dú)值不(bù)會(huì)差異太大(dà),<<若差異很(hěn)大(dà)一(yī)般都 ∏★(dōu)是(shì)某項的(de)共模能(néng₽♣ )量較強所緻。

測試的(de)輸入電(diàn)壓則是(sh≤©ì)看(kàn)申請(qǐng)的(de'→÷)安規來(lái)決定,一(yī)般是(•₹shì)用(yòng)110V與230V來(lái)做(zuò)高(©§gāo)低(dī)壓量測;另外(wài),産£• λ品在确認傳導測試時(shí)皆需要(yào)做(zuò)長(c× ×>háng)時(shí)間(jiān)的(de)燒機(jī),有(yǒu <σΩ)時(shí)會(huì)因燒機(jī)後磁性組件(jiàn)過熱(rπ®★‌è)導緻感量異常而讓EMI變差。

4.2 電(diàn)磁幹擾,電(diàn)場(chǎng)幹π£擾與磁場(chǎng)幹擾

電(diàn)磁幹擾(EMI, Electrical Magnetic  $‍ Interference)可(kě)分(fēn)為(wèi)電(diàn♠₽♥)場(chǎng)幹擾與磁場(chǎng)幹擾兩種,₹↑∏電(diàn)場(chǎng)與磁場(chǎng)是(shì)兩種>§不(bù)同的(de)性質,但(dàn)兩者之間(jiān)的​ ¥<(de)能(néng)量是(shì)會(huì)互相(xiàng)影(y≠→ǐng)響的(de),随時(shí)間(jiān)變化(huà)的(d₽∏£←e)電(diàn)場(chǎng)會(huì)産生(shēng)磁場(c←& hǎng),而随時(shí)間(jiān)變化(h£✔≠≥uà)的(de)磁場(chǎng)也(yě)會(huì)産生®✔✔(shēng)電(diàn)場(chǎng),這(zhè)些(xiē)‌♣不(bù)斷同相(xiàng)振蕩的(de)電(diàn)場(♥​±γchǎng)和(hé)磁場(chǎng)共→ 同的(de)形成了(le)電(diàn)磁幹擾(電(diàn)磁波)。

一(yī)般對(duì)于電(diàn)場(chǎng),我們可(kě)以用(>δyòng)電(diàn)荷公式與電(diàn)容公>♠‌式來(lái)作(zuò)解釋,

簡單來(lái)說(shuō),任何的(de)導體(tǐ)在電(diàn)Ω≠‍場(chǎng)下(xià)都(dōu)可(kě)等效成δ☆♦一(yī)個(gè)帶電(diàn)的(de)₽&電(diàn)容,其容值随著(zhe)與周邊另一(yī)個(gè)導體(t€∏÷ǐ)之間(jiān)的(de)距離(lí)/表面δ↓∏積/介質不(bù)同而有(yǒu)差異;兩導體(tǐ)之間(j→¥←iān)的(de)電(diàn)容圖示,綠(lǜ)色‍♦♣↕導體(tǐ)與藍(lán)色導體(tǐ)所等效的(de)電(dλ§iàn)容,根據電(diàn)容公式,容值會(huì∑α β)因兩導體(tǐ)之間(jiān)的(de)距離(lí)愈遠(yu<★λǎn)而變小(xiǎo),也(yě)會(huì÷©₽)因兩導體(tǐ)之間(jiān)的(de)截​☆λπ面積愈大(dà)而增大(dà),而兩導體∑​(tǐ)之間(jiān)的(de)介質(介電(diàn)系數(shù))也(×$yě)會(huì)影(yǐng)響容值的(de)大∞±§(dà)小(xiǎo)。

當電(diàn)容二端的(de)電(di₽✔àn)位在時(shí)間(jiān)之內(nèi)存在一(yī)電(dià←×π§n)壓差時(shí),則會(huì)根據電(dià✘∞≥Ωn)荷公式(電(diàn)壓/時(shí)間(jiān)的(de)變化(h£≤↑₽uà))而産生(shēng)一(yī)電(dπ₹•βiàn)流,而任何産生(shēng)的(de)電(diàn)流必↑<$需經由另一(yī)路(lù)徑回到(dào)自(zì)己出發時®$₩(shí)的(de)位置而形成一(yī)電 ←€₽(diàn)流回路(lù),此因電(diàn)壓變動造成的(de)電(diàn₽✘)流回路(lù)就(jiù)會(huì)引起電(diàn)場(chǎn÷↕'g)幹擾。

因此,改善電(diàn)場(chǎng)幹擾的(de)方式,就(jiù)是★±"(shì)減少(shǎo)其回路(lù)電(diàn)流的✘σ¥≤(de)方法,根據上(shàng)面兩個(gè)$§±公式,我們可(kě)以藉由将耦合電(diàn)容減小(xiǎπ÷$o),像是(shì)減少(shǎo)兩個β♥(gè)導體(tǐ)之間(jiān)接觸的(de)面積/增加其距離(‍♠ ♦lí)/變更中間(jiān)的(de)介質等方式來(lái)減少(shǎo)↕↔π 電(diàn)容效應,或是(shì)減小(xiǎo)電(diàn)壓差或時∑•$(shí)間(jiān)變化(huà)率來(lái)減少(shǎo)電★δ←©(diàn)場(chǎng)感應。

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