篡改電表簡單到只需在電源供應器變壓器附近放置一塊強力磁鐵，施加的磁場會干擾功率轉換，並影響電表準確監測用電量的能力。使用磁鐵欺瞞電表特別有效，因為通常實作的防篡改方案無法偵測到它。目前還沒有準確的數字可預估以這種方式被盜用的電量，但業界專家認為其意義重大且值得防範。
本文簡要回顧了返馳式電源供應器磁化干擾背後的物理原理，並提出一種抗磁化干擾雙輸出隔離返馳式電源供應器設計，最後討論了抗磁化干擾電源供應器與傳統設計之間的測試和效能比較。
亞鐵磁性與鐵磁性
變壓器鐵氧體鐵芯的亞鐵磁性(鐵氧體具有晶體隨機排列的磁極對，可自發進行重新排列)是潛在的干擾來源，通常需要新的變壓器設計。鐵氧體鐵芯材料用於切換模式的變壓器。當暴露在強磁場中時，亞鐵磁材料的晶極排列會發生變化。在電源變壓器中，這可能會對變壓器和電源供應器)效能產生級聯影響：
1.在外部磁場的作用下，導致鐵氧體鐵芯的內部場強降低。
2.磁通密度β降低。
3.總磁通量降低，進而降低一次側電感。
4.如果外部磁場足夠強，電感充分降低，則電源供應器將進入自動重新啟動，因為切換電流在有用的能量轉移發生之前就上升到其極限。在沒有一次側限電流的電路中，很有可能會發生切換開關故障。
如廠商Power Integrations開發一種防磁干擾、雙輸出隔離返馳式電源供應器，可在85至350VAC的輸入電壓範圍內，於300mA的條件下，提供16.5VDC；於100mA的條件下，提供16.5VDC，該設計考量包括最佳化變壓器以補償外部磁場的影響，以及元件選擇和布局(圖1)。
圖1 使用設計得當的變壓器時，返馳式電源供應器可以在存在外部磁場的情況下繼續正常工作
該設計採用LinkSwitch-XT2 900V系列中的LNK3696P。該系列晶片(IC)支援具有整合式900V功率金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、振盪器、簡易型開/關控制、一個高電壓切換式電流源、頻率抖動、週期性電流限制與過熱關機功能的低元件數目解決方案。
透過開關型控制，會在每個切換週期之前檢查輸出。如果輸出已降至臨界值以下，則啟動切換週期。如果輸出在限制範圍內，則跳過切換週期。在每個切換週期中，切換電流在其發生線性變化時受到監測，當電流超過預設限制時終止切換脈衝。這樣一來，每個切換週期的長度相同，向負載提供的能量包也固定(圖2)。
圖2 每當輸出電壓降至設定限制以下時就會提供輸出功率，並由回授接腳(VEN)測量。在短路情況下，電壓將保持低位，並且每個時鐘週期都需要能量，太多的連續切換請求會觸發保護性重新啟動，進而降低輸出能量
每當輸出電壓降至設定限制以下時就會提供輸出功率，並由回授接腳(VEN)測量。在短路情況下，電壓將保持低位，並且每個時鐘週期都需要能量，太多的連續切換請求會觸發保護性重新啟動，進而降低輸出能量。
由於只有在需要時才進行切換，因此效率高於輕負載條件下的傳統脈寬調變(PWM)驅動器，開關型控制也無需迴路補償，因為它是一個非線性系統。
啟動和運作時的功率直接由汲極接腳產生，因此免除了偏壓繞組及相關的電路。當在100%負載條件下，向傳統設計的變壓器施加有害磁場時，該返馳式電源供應器透過以下流程強制進入自動重新啟動：
1.外加磁場導致一次側電感最多降低其標準值(1,338H)的50%。
2.電感越低，鐵芯在每個切換週期內儲存的能量就越少。
3.為了繼續支援100%的功率，控制器增加了額外的切換週期，以更頻繁地提供較少的能量。
4.全頻模式下的一長串連續循環被解釋為輸出短路，並啟動保護性自動重新啟動。電源供應器無法正常切換-反復嘗試重新啟動。
為防止在外部磁場的作用下自動重新啟動，初始一次側電感必須從1,338H加倍至2,676H。由於所描述的亞鐵磁效應，施加外部磁場可以將電感降低多達50%，即降低至1,338H。憑藉1,338H的電感，電源供應器可以在不進入自動重新啟動的情況下啟動並支援100%負載。
元件選擇和布局
元件選擇和放置也有助於提高抗磁干擾能力，為了防止任何磁鐵過於靠近變壓器，將高大的元件，例如大電容器、Y電容器和輸出電容器放置在變壓器周圍以形成屏障(圖3)，使用薄型線軸也可提高了元件屏障的有效性。
圖3 DER-711電路板顯示高、大的元件放置在變壓器周圍，以盡量避免靠近任何外部磁鐵
測試期間使用的磁鐵可以從側面或頂部移向變壓器。在此處描述的測試中，將一塊強度為3,451G的6.35平方公釐(mm²)N35級釹鐵硼(NdFeB)磁鐵放置在變壓器鐵芯旁邊，以形成一次側電感至少降低50%的最差情況(圖4)。在此測試條件下，電源供應器能夠在100%負載和75VAC輸入電壓也是最差情況下啟動。
圖4 DER-711電路板使用3,451G磁鐵進行測試，該磁鐵直接放置在鐵芯(圖中方框所示)旁邊
設計抗磁化干擾電源供應器時，需要考慮更高的電磁干擾(EMI)、更長啟動時間、低功率轉換效率以及發出可聞雜訊的可能性。在鐵芯上放置磁鐵會降低EMI餘裕以符合標準，而抗磁化電源供應器設計須更大的EMI餘裕。DER-711設計的傳導性EMI餘裕大於6dB。如上所述，如果在鐵芯附近放置外部磁場，則電感會降低，導致切換頻率增加；汲極電壓的鬆弛振盪頻率也會相應增加，需要使用屏蔽繞組和適當的輸入濾波器設計來解決鬆弛振盪引起的額外EMI作用。除了EMI考量，如果在鐵芯上放置磁鐵，啟動時間更長，從9.68毫秒(ms)增加到15.84毫秒(圖5)。
圖5 在外部磁場作用下，啟動時間從9.68毫秒增加到15.84毫秒，增加約6毫秒的時間
在將磁鐵直接靠近變壓器的極端情況下進行測試，系統效率僅降低4~6%(圖6)。在這些情況下，IC溫度在滿載時僅升高16°C。如果施加的磁場較低，則效率下降和相應的溫度升高幅度都較小。
圖6 在最差情況下，如果將磁鐵放置在變壓器旁邊，效率僅降低4~6%
此設計中的最大磁通密度2,650G明顯高於LinkSwitch-XT2設計的建議最大值1,500G。因此，滿載時的切換頻率會降低，並且可能低到足以進入可聽範圍。一般而言，這對於電表中使用的電源供應器來說不是一個缺點。
電表設計關鍵增加一次側電感
無需過多折衷遷就，也可能為電表設計一種抗磁化干擾的隔離返馳式電源供應器。重點是增加一次側電感，以確保電源供應器有足夠的餘裕，並能夠在外部磁化干擾的作用下保持滿載不間斷運轉。以及，策略性地使用薄型變壓器線軸，並在變壓器周圍放置高大的元件以充當屏障，可充份降低外部磁鐵靠近變壓器的可能性，這也是實用的設計考量。
(本文作者為Power Integrations資深產品行銷經理)