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  文章标题:《切换式电源供应器的传导性与幅射性电磁干扰》
  发表日期:2004年12月8日   出处:SEC    作者:Webmaster   已经有831位读者读过此文


简   介

    电磁兼容问题一直是切换式电源供应器设计上的盲点,虽然有许多研究〔1,2〕探讨如何配置组件及PCB布局,以降低电磁干扰的产生,并采用噪声分离技术,将噪声分离为共模及差模噪声,再分别设计电磁干扰滤波器,以抑止切换式电源供应器传导性干扰〔3〕。上述方法对低频较为有效,但是应用在一紧密包装的切换式电源供应器中,效果却不大,主要原因在于电场与磁场紧密耦合所产生的杂现象,会改变所设计电磁干扰滤波器之特性。 

    尤其是在一定外观尺寸下的切换式电源供应器,设计上必须同时考虑电磁干扰及散热问题〔4〕。实际上,一个切换式电源供应器设计工程师所感兴趣的是在上述方法失效后,所必须采用的除错技术(debug),目前所采用的方法均为经验法及尝试法;但为验证所采取的除错技巧之有效性,必先对测试的场地及方法做进一步的认识。 
电磁兼容测试分为电磁干扰及电磁耐受度测试,电磁干扰为由切换式电源供应器所产生的噪声,经由传导及幅射干扰其它电子设备。相对地,电磁耐受度为切换式电源供应器接受其它电子设备产生的噪声,经由传导及幅射干扰,使得切换式电源供应器受其干扰而不至于失去功能的耐受程度。 

    一般切换式电源供应器所采用的电磁干扰、传导性及幅射性耐受度测试的际标准法规,分别为EN55022、EN61000-4-6及EN61000-4-3[5-7],其对测试的场地、方法及使用设备有详细规范。   

    虽然在〔8〕中对切换式电源供应器的电磁干扰特性、测试方法有详细说明,但未包含电磁耐受度测试相关资料,为了获得完整的电磁兼容测试知识,使切换式电源供应器设计工程师及一般从事电磁兼容测试之人员,对切换式电源供应器的各种电磁兼容测试与应用法规有所认识,以弥补学校教育之不足,本文将详细说明各种电磁干扰及耐受度测试的方法及其法规。文中并以康舒科技所设立的电磁兼容容测试实验室为例,详细说明各种测试及校验方法,并探讨semi-anechoic chamber与OATS进行的幅射值比较测试,以进一步求得一组各频带的校正系数,用以修正semi-anechoic chamber所用频谱分析仪之测量值,使得可以使用semi-anechoic chamber可仿真OATS的测试结果。

    电磁干扰及耐受应的法规 

    切换式电源供应器常用传导与幅射性干扰测量法规有EN55022、CISPR22及FCC part 15〔8〕,又以其使用场合区分为class A与B两种,class A系指使用于一般工业应用(industrial area)场合,而class B系为一般家庭使用(residential area)场合。传导性干扰所测量的频率范围由150KHz至30MHz,相对地,幅射性干扰所测量的频率范围由30MHz至1GHz,将上述法规各频带之限制值整理如表1所示。 

表1 传导与幅射性干扰法规 
  切换式电源供应器内部所产生的电磁干扰噪声,必须小于其法规之限制值以降低对其它设备之干扰。相对地,切换式电源供应器亦要对外来的电磁干扰噪声有所免疫力,即电磁耐受度,所用的法规为传导性EN61000-4-6及幅射性EN61000-4-3耐受度测试,依待测物操作环境,所选用的测试电压及电场准位如表2所示,传导及幅射性耐受度测试的频率范围分别由150KHz~80Mhz及80MHz~1GHz。 

表2 传导及幅射性耐受度之电压及电场测试准位 

    通常切换式电源供应器所采用的测试准位为2,为仿真待测物实际操作环境,在测试时将测试信号加入具有频率为1KHz及80%振幅调变之正弦波,切换式电源供应器于耐受度测试时,所要观察的性能指针为其输出电压或power good信号,以据以评断测试等级。对于耐受度测试结果可以评定成四种测试性能指针,如下所示: 
˙在额定工作条件下测试,待测物一切正常。
˙测试时,待测物有暂时性能变差或丧失,但可自行恢复正常工作。 
˙测试时,待测物有暂时性能变差或丧失,需要操作员介入处理或重置系统。 
˙测试时,因待测物设备损害或软件资料遗失而导致不可恢复的性能变差及丧失。 

    值得注意的是,当测试完成时,待测物不可产生危险及不安全的现象,因为切换式电源供应器为附属于系统设备中的提供电源单元,其耐受度测试通过性能指针一般为A级。
电磁兼容测试场地

    在前节已详述应用于切换式电源供应器的电磁干扰及耐受度测试法规,接着将依法规定所定义的测试场地规范,说明适用于切换式电源供应器的传导性、幅射性干扰及耐受度测试之实验场地及测试方法。
传导性干扰测试 

图1 桌上型传导性干扰测试的实验场地   

     因为切换式电源供应器的体积不大,可采用桌上型摆设测试,依据〔5〕中所规定的桌上传导性干扰测试的实验场地如图1所示,在测试场地的水平地面及垂直墙面上,须铺上面积大于2mx2m的接地金属板,提供屏蔽效果以降低电磁干扰。桌上型测试需要在水平金属板放置一高80cm的非导电材质桌子,再将切换式电源供应器,又称待测物(EUT)及其负载(dummy load)置于桌上,两者相距10cm且距离垂直金属板40cm,电源经由LISN供给待测物。藉由LISN将待测物操作所产生的传导噪声传至频谱分析仪测量,实际传导性干扰测试的实验场地如图2所示。   

图2 传导性干扰测试的实验场地   

    幅射性干扰测试 

    幅射性干扰测试场地通常是指OATS,测试的频率由30MHz至1GHz,而且整个测试场地的垂直与水平方向衰减量,必须在其标准场地衰减量(NSA)的±4dB以内。图3为一座OATS配置图,场地面积应大于中椭圆区域面积,且在此区域中不可有反射物,整个地势要平坦。天线与待测物两者相距D,在其间须铺设金属接地板,其面积必须延伸至天线与待测物的周围外1m以上,据此所需金属接地板最小面积如图3中灰色区域所示。 

图3 OATS配置图   

    OATS大都兴建于大烟稀少的山谷中,以降低外部电磁噪声干扰,使之获得较佳的背景噪声,图4为C&C Lab位于林口地区OATS测试场地。进行测试时,旋转台上放置80cm高的非导电材质桌子,将待测物置于其上,然后旋转待测物并使天线同时在1m~4m间变化其高度,测量待测物的水平及垂直方向的幅射性干扰值。   

图4 OATS测试场地 

    若OATS标准环境特性的场合不易获得,则可以于anechoic chamber中测试,亦可得到正确的结果。Anechoic chamber为贴满铁磁性瓷砖的遮蔽铁屋,对外面电磁噪声可衰减100dB以上,并在内部贴上吸波器(absorber),以防四周墙壁反射电磁波。若chamber地面无放置吸波器则称为semi-anechoic chamber。 

     anechoic chamber内部设备摆设与OATS相同,anechoic chamber依其内部几何长度又区分为966及733 chamber,其中966及733内部之长宽高,单位为公尺。将待测物置于旋转台上80cm高的非导电材质桌子,此时由待测物放射至天线的电磁波特性与OATS相似,只要使用发射源发射电波进行chamber与OATS的各频带之比较测试,以获得各频率的修正系数,亦称为偏移量,即可使用chamber仿真OATS的测试环境,图5为anechoic chamber的幅射性干扰测试情形。   

图5 在anechoic chamber进行的幅射性干扰测试   
传导性耐受度测试 
对所有电源供应器电源线的联接方式,大都推荐使用CDN来进行传导性耐受度测试,除了对一些输入电流大于16A或其它复杂系统才会采用注入法〔6〕。如图6所示,使用CDN来进行切换电源供应器传导性耐受度测试场地,其中将CDN、待测物及其负载置于金属接地平面上,此金属接地平面的面积必须含盖CND、待测物及其负载,且延伸至其周围为0.2m以上。   


图6 传导性耐受度测试场地 
   在金属板上放置10cm高之绝缘平台,再将待测物及其负载放置于平台,值得注意的是,CDN与待测物之距离需在0.1m~0.3m之间,接线应在接地平面上3cm~5cm之间。电源经由CDN供给待测物,且由RF测试信号产生器输出上述规定调变信号至CDN,以供给待测物干扰电压,仿真实际传导性电磁干扰现象。 

    RF测试信号产生器输出信号频率的扫描率须小于1.5x10-3decade/s或采用人工操作,在传导性耐受度测试期间,使用电压表观测其输出电压或power good信号之变化,再依据其测试结果并参考前述性能指针评估准则,给待测物评定适当等级。 

    幅射性耐受度测试 

    切换电源供应器的幅射性耐受度测试须在733 anechoic chamber中进行,如图5所示,其中天线与待测物距离3m。将待测物负载放置于80cm高的非导电材质桌子,且平贴均匀场强平面。利用chamber外部的RF信号产生器,经由电缆接至天线,再依据法规规定的频率及调变场强,发射电磁波至待测物。扫描频率的变化率及测试结果评估方法,同传导性耐受度测试。
比较测试及校验

    传导性及幅射性比较测试

    基本上在测试场地不做任何变动,以及测试仪器均规定进行校验之前题下,每次进行传导性及幅射性测试时,所得的场地背景之电磁干扰噪声特性差异不大。为避免因测试场地外在因素变动而影响测量值,并确保测试结果的正确性,在进行传导性及幅射性测试前,可用一黄金样品(golden sample)及参考发射源,分别对传导性及幅射性场地进行比较测试,借着比较每次测试的结果,以初步了解测试仪器及场地的正确性再进行测试。若比较测试发现测试结果有所不同,则应先对仪器及场地进行除错,待故障排除及比较测试结果正确时再进行试验。 

    比较测试与标准校验两种做法基本上是相相的,不同的是校验必须经过合法认证的机构执行,其结果具有公信力。相对地,比较测试仅为一般机构为了降低研发流程与成本,依据规范建立测试的场地与设备。在同一工作条件下,比较内部与合法认证测试结果的差异性,并据以修正内部测试条件,以使测试结果近似于合法认证测试结果,以期在初产样品送往合法认证机构测试,能顺利通过测试取得证书。基于此观点,本文仅说明一般比较测试的校验方法,但可依此建立各种测试的标准作业流程及相关文件,用以申请CNLA合格认证实验室。

    传导性耐受度测试校验

    在进行传导性耐受度测试之前,应先校验RF产生器射入CDN的干扰电压值是否合乎标准,其校验方法为将CDN的电源输入端(AE)接上150Ω终端器为负载;待测物(EUT)端接150Ω转50Ω之转接器,连接内阻为50Ω的电表。由RF产生器产依法规所定的频率间隔,于各频率下产生如表2所规定的电压准位V0,但不加入调变弦波信号,使得电压表的读值须满足下式:才合乎标准,其中Vmeas为测量值,此时亦必须记录下满足式(1)的RF产生器之控制参数,并据以做为传导性耐受度测试时控制参数定值。为了能准确及自动调整所需电压位准,可将观测的电压信号Vmeas经由A/ D转换为数字信号输入控制计算机,由控制计算机自动调整RF产生器之控制参数以满足要求。

    幅射性耐受度测试校验 幅射性耐受度测试时,必须于待测物面产生均匀场强,以获得正确测试结果,所以在耐受度测试时,需先校验均匀面之场强。所谓均匀面系指在待测物放置处,距参考地平面0.8m高之1.5mx1.5m的平面,如图7所示,并进一步细分为0.5mx0.5m的最小均匀场强面积,如图7所示。 


图7 幅射性耐受度测试校验   

    用全向性接收器(isotropic field probe)置于图7中所示的16点上量测场强,测试结果至少12点场强测量值需在规定场强的0Db~+6dB以内才视为合格。校验时,RF产生器依表2所规定的电场准位发射场强,但不需要正弦波调变,再将产生上述均匀场强的控制参数记录做为幅射性耐受度测试使用。

    Semi-anechoic chamber校正系数 

    当Semi-anechoic chamber兴建完成后,接着就是要求得chamber之chamber factor。Chamber factor是由chamber与OATS进行30MHz~200MHz附近的比较测试而求得〔10,11〕,其方法利用一参考发射器做为电场转换标准(field strength transfer standard),应用体积法(vooume method)〔5〕分别在OATS及chamber的转台位置取五点,在两个不同规定的高度位置放置发射器,由天线分别测量其垂直及水平极性方向的电场。 

    参考发射器的天线型式有双极及环状天线,两种天线均要做测试,参考发射器天线摆设的极性方向应与接收天线平行。每做一次固定天线极性方向比较的测试,就会产一组对应于各频率校正系数,将这几组校正系数绘制于同一图表,可由图表中发现各组校正系数随着频率变化而散布在一特定范围,这个范围最上面的包络线称为最差情况的chamber factor,而包络线的平均值则称平均chamber factor。将chamber factor加入所测得到等效OATS之测量值,若并不是所有体积法中所规定位置的天线极性方向均被测量,则依上法所求得数据称为校正系数。 

    基于实务上的考量,此733 semi-anechoic chamber若要采用体积法求得chamber factor有下列困难: 

˙切换式电源供应器在OATS进行幅射性测量,是将其放置于80cm高转台桌上测试,其体积远小于体积法所含盖的体积。 

˙设备供货商无法提供天线因子(antenna factor)、cable loss及参考发射源天线因子,虽然可自行校验求得,但是花费成本太高。 

˙此semi-anechoic chamber不是以成为认证chamber为目的,仅是提供切换式电源供应器设计过程必要的预先测试场地。 ˙依据CISPR16〔9〕对anechoic chamber的要求,其幅射值的均匀性比使用volume method求标准场地衰减值更来的重要。因此,将采用另一个比较简易测量方法,用以求出此chamber与OATS之校正系数。 

    这个简易方法如下: 

    *对733 semi-anechoic chamber之均匀性评估,则选定参考发射源的放置位置为旋转台桌中心、前方及左方中间桌缘,各别进行频谱测量,此一位置为EN55022及FCC part 15所规定待测物放置位置。当旋转台桌旋转时,所含盖的范围为待测物幅射干扰放射的最大区域,比较这三个位置的频谱是否在±2dBμV/m内〔9〕,以评估chamber之均匀性。

    *因为切换式电源供应器于电路布局设计时,以考虑避免形成环形电流回路,因而所产生环形极性方向幅射干扰较少,因此在进行比较测试时,仅采用半波双极(half-wave dipole)天线之参考发射源来执行场强转移标准,可缩短比较测试时间及降低费用。

    *将天线因子、cable losses及场地的transmit losses均包含于校正系数中,仅比较chamber与OATS之频谱分析仪之测量值,即: 
CF(f)=MOATS(f)-Mchamber(f) 
其中CF、MOATS及Mchmber分别表是校正系数、OATS与chamber之频谱分析仪之测量值,f为频率。Chamber与OATS比较测试的参考发射源,是使用EMCO 4630 Refrad,为确保测试品质,先将Refrad充饱电再进行发射电场实验,一直到Refrad自动断电停止工作为止,其中频率选用的间格为5MHz。

    在这段期间,每15分钟使用频谱分析仪测量所选定频率的电场值,频率为由30MHz~300MHz,每30MHz为一个间隔,其结果如图8所示,每个频率的测量值误差均在4dBμV/m范围内,由实验结果显示Refrad于正常工作期间,其发射的电场品质稳定。 
接着使用Refrad做为电场转移标准,进行C&C Lab的OATS与chamber比较测试,比较30MHz~1GHz的幅射衰减特性,经过多次测试后,依据式(2)将所得的测试数据平均即获得校系数CF,并据设定频谱分析仪的偏差量。经过比较测试后,chamber与10m OATS对同一Refrad所测得场强幅射衰减值,其中有将chamber的校正系数CF调高1.5dBμV/m,以确保切换式电源供应器在chamber内通过测试,必能通过OATS之测试。
    结论
    切换电源供应器要取得国际认证,除了要通过上述电磁兼容测试,还要通过EN61000-4-2 ESD、EN61000-4-4 electrical fast transient immunity test及EN61000-4-5 electrical slow transient(surge)immunity test等测试,这些测试的方法及知识,为一般切换式电源供应器设计工程师所欠缺的。


图8 Refrad发射电波至自动断电为止,所选定频率之场强偏移量分布图   

    虽然本文仅着重于电磁兼容相关测试方法的介绍并以实例说明,但可延伸获得相关知识,正确的电磁兼容测试可缩短产品研发流程,若切换电源供应器测试失败时,工程师亦可由测试结果并结合电磁兼容知识,而采取的除错技术将更为有效。

    参考资料 
【1】M. Joshi and V. Agarwal, "Component placement for improved EMI performance in power electrnics circuits, IEEE EMC Symposium, pp. 911-917,1998. 
【2】L. B. Gravelle and P. F. Wilson, "EMI/EMC in printed circuit boards-a literature review," IEEE Trans. Electrmagnetic Compatibility. Vol. 34, no. 2, pp. 109-116, 1992. 
【3】T. Guo, Y. Chen and F. C. Lee, "Separation of the common mode and differential mode conducted EMI noise," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 11, no. 3, pp. 480-488. 
【4】J. B. Wang, "Thermal design evaluation for an adapter via equivalent circuit method," R. O. C. Symposium on Elecrtical Power Engineering, pp. 770-774,2000. 
【5】BS EN55022, Information technology equipment-radio disturbance characteristic-limit and methods of measurement, 1998. 
【6】BS EN61000-4-6, Electromagnetic compatibility, part 4, Testing and measurement techniques, section 6. Immunity to conducted disturbance, induced by radio-frequency, 1996. 
【7】BS EN61000-4-3, Electromagnetic compatibility, part 4,Testing and measurement techniques, section 3. Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test, 1997. 
【8】David a Williams, "A tutorial on EMI #At utorial on BMI switching regulator," IEEE 11th APEC, pp. 333-339,1996. 
【9】IEC,CISPR 16-1,1993. 
【10】EMCO Model 4630Refrad Operation manual, 1992. 
【11】EMCO Calstan/W PN399215,1996.
附录 
为使一般人对进行电磁干扰及耐受度试验时,所用的测量单位及术语有充分了解,并有助于对各种测试设立及其测试结果说明,下面将对此做一些简单说明。 
Line impedance stabilization network(LISN) 
LISN为进行传导性干扰试验时,电源经由LISN供给待测物电源,将待测物所产生的高频传导性噪声分离,传至频谱分析仪测量,以评估待测物所产生的传导性电磁干扰是否满足规范。 
耦合及解耦合网络(CDN) 
CDN为进行传导性耐受度试验时,将干扰信号耦合施加给待测物电源的设备,以仿真待测物实际操作环境,观察待测物是否具备传导性干扰的免疫力。 
场强(Field strength) 
场强E亦是电场强度,常做为幅射性干扰的量测单位(V/m),在远场(far field)测量时,场强的定义如下: 

其中Pt为一全向性发射器所发射的总功率,r为测量点距全向性发射器的距离;远场系指此距离大于λ/2π,λ为发射器发射频率的波长。场强亦可经由下式单位换算成为dBμV/m: 

Peak Quasi-Peak(QP)及Average(AVG) 
Peak、QP及AVG系指进行EMI量测所采用的侦测器(detector)型式,频谱分析仪所据以测得之量测值。通常信号是以Peak模式呈现于EMC频谱分析仪,使用Peak侦测器可迅速侦测得输入信号包络线的变化,而且其测量值均大于或等于QP及AVG侦测器的测量值,处理的速度亦较快。 
其次,QP侦测器模式是依据输入信号波形重复率(repetition rate)为测量的权重,即测量输入信号的干扰率为指针,若输入信号为连续波形,其测量的QP值与Peak值相同。最后是AVG侦测器模式,其原理与Peak模式相同,只是其输入信号经由一频宽低于输入信号频宽之滤波器,而将输入信号的高频成分平均所得到之测量值。 
通常在进行EMI测量时,会先以Peak模式读取测量值,以判定所测得的电磁噪声是否于限制值以下,若是满足规定则无需进一步测量QP及AVG;若有在某些频带测量值超过限制值时,须再进一步测量QP及AVG,以判断是否满足法规,测试程序必须依据〔5〕中所述步骤测量QP及AVG。 
虽然于法规中有明确规范待测物通过限制值的判断流程,但是由于切换式电源供应器是其设备系统接受电磁干扰与耐受度测试的窗口,因此切换式电源供应器本身进行测量时,要求会更严刻。通常为克服大量生产时所用材料的差异性,以及有较大的电磁干扰余裕给系统,切换式电源供应器进行电磁干扰测试时,大都使用Peak侦测器,其测量值必须低于法规限制值6 dBμV(dBμV/m)以下才可制造生产,此时相对测量QP及AVG值均非常低于法规的限制值。
※本文转载自「2001电磁兼容研讨会论文集」,作者王金标任职于清云技术;陈政传任职于新埔技术学院;潘中志、周加升任职于康舒科技。



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