EMI抑制技術助力　開關電源系統符合法規要求

「開關電源」是一通用的術語，描述帶有可將直流電壓轉換為交流電壓的電源，而此處轉換後的交流電壓還可再進一步處理成為另一個直流電壓。

開關電源可以分為交流對直流電源(交流—輸入)或直流對直流轉換器(直流輸入)，兩者都具有把直流轉換為交流的功能，以便改變電壓。開關電源因其內在的設計特點，會產生由多頻訊號組成的電磁干擾。

直流對交流轉換器將輸入直流電壓轉化為可通過變壓器升壓或降壓的交流電壓。交流對直流電源還可利用高頻電路來轉換電壓。但是，在任何一種情況中，內部交流電壓並不是純正弦波，而經常是可由傅立葉級數表示的矩形波，由具有諧波相關頻率的許多正弦波的代數和(Algebraic Sum)組成。

這些多頻訊號是傳導發射和輻射發射的來源，會干擾安裝電源的設備及附近的頻率敏感設備。

電子設備開發須符合各國EMI標準

經由有目的的發射電磁場，電磁譜已經廣泛地應用於廣播、電訊和資料通訊等領域。為保護電磁譜和確保所搭配的電氣電子系統相容性，監管機構已經制定電子設備中傳導和輻射EMI的控制標準。

CISPR 22是歐洲地區其中一個主要的標準規範，獲得歐洲共同體中大多數的國家採用，而美國聯邦通訊委員會(FCC)是美國的監管機構。FCC的第15部分規則將數位電子設備分為A類(用於商業、工業或營業環境)和B類(用於居住環境)。由於B類設備布置在家庭中其他電子設備附近的可能性更大，因此其發射(Emission)標準更為嚴格。

CISPR 22法規已與FCC標準相互協調，除少數例外情況，現可對數位的電子設備進行認證。協調化要求傳導發射和輻射發射採用同一標準。因為CISPR 22對1GHz以上的頻率並未規定限值，所以1GHz以上的測定必須符合FCC規則和限值要求，而FCC第15部分和CISPR 22規定頻率的傳導/輻射發射限值，彼此僅相差幾dB而已。

EMC測試和符合性須遵守ANSI規範

電磁相容性(EMC)測試和符合性(Compliance)須按照ANSI標準定義的測試程式執行，該標準並不包括與通用或指定產品有關的傳導和輻射發射限值。

值得注意的是，測試是針對整個系統，並非僅針對電源模組，即使外部電源做為獨立產品符合規定，也需要與整個終端系統一起進行測試。

EMI/EMC基本來源和相關頻率

EMI首先可分為瞬態的干擾或連續的干擾。當源發射持續時間短的能量脈衝而不是連續訊號時，便會產生瞬態EMI。源包括開關電氣線路，以及靜電放電(ESD)、閃電及電力線浪湧。電動機、汽油發電機點火系統及連續數位電路開關可以使得瞬態EMI重複發生。

連續干擾可以根據頻帶進一步細分，幾10Hz至20kHz頻率被歸為音訊，而射頻干擾(RFI)發生在20kHz及以上頻帶。

EMI耦合

耦合通過傳導、輻射或感測而產生。傳導的EMI發射可高達30MHz。頻率低於5MHz以下的電流，大多數是差模(Differential Mode)電流，而高於5MHz的電流通常是共模(Common Mode)電流(圖1)。

圖1 差模和共模的定義

差模電流是一兩線對(Two Wire Pair)上的預期電流，也就是離開線路源端和回到線路返回端的電流。測試人員可以根據相對指定參考點來測量每條線路的雜訊，差模電流通過電源線，在開關電源和它的源或負載之間流動，而這些電流與地面無關。

共模電流通過電源線在同一方向進出開關電源，並通過地面回到它的源。在許多情況下，共模雜訊是通過電路中的寄生電容來傳導的，但也可流經外殼和地面之間的電容。

當源和接收器(受影響設備)作為無線電天線使用時，便會發生輻射耦合。此時，源輻射出的電磁波會穿過開闊空間，在源和受影響設備之間傳播，並被受影響設備所接收。

相對傳導耦合或輻射耦合來說，電感耦合(電或磁耦合)比較少見，電感耦合會發生在源和接收器之間距離較短之處。

當兩個相鄰導體間存在變化的電場，導致間隙處電壓發生變化，便會發生電感測；而當兩個平行導體之間有一變化的磁場，導致沿著接收導體出現電壓變化，則會發生磁感測。

一般而言，要清楚明白EMI問題的表徵，須要從電學上及功能故障的意義上來瞭解干擾源和訊號、到達受影響設備的耦合路徑及受影響設備的特性。在本質上，由於威脅所導致的風險通常是統計學，因此，威脅表徵和標準制定的許多工作，都是建基於將破壞性EMI發生的可能性降低到可以接受的程度，而不是確保消除EMI。

傳導EMI

為了有效地讓傳導發射緩和下來，必須分別解決差模雜訊和共模雜訊的問題。

在開關電源電力線和返回線之間直接連接旁路電容器的做法，通常可抑制差模雜訊(圖2)。位於開關電源輸入或輸出處的電力線可能需要濾波，為實現最佳效果，這些線路上的旁路電容器要放在雜訊產生源的末端附近。

圖2 差模濾波器示意圖

在雜訊產生源的基本開關頻率附近，低頻差模電流的衰減要求要有較高的旁路電容值，這意味著陶瓷電容器就不適用。22微法拉(μF)以下的陶瓷電容器只適合過濾開關電源的較低電壓輸出，但不適合那些有100伏特(V)浪湧的電源。此時應採用額定電容和電壓較高的電解電容器。

為同時適合衰減較低的基本開關頻率及較高諧波頻率的差模電流，差模輸入濾波器通常是由電解電容器和陶瓷電容器所組成。

增加一個與主電源串聯的感測器，與旁路電容器一起形成--單級L-C差模低通濾波器，可以進一步抑制差模電流。

另一方面，在開關電源的每根電力線和地面間連接旁路電容器，便可有效抑制共模傳導電流，這些電力線可以位於開關電源的輸入或輸出處。

藉由增加一對與每個主電源串聯的耦合扼流(Choke)感測器，可進一步抑制共模電流(圖3)。耦合扼流感測器的高阻抗迫使共模電流流過旁路電容器。

圖3 共模濾波器示意圖

RF阻抗及天線環路面積減少可抑制輻射EMI

降低射頻(RF)阻抗及減少天線環路面積可以抑制輻射出的EMI(圖4)。將電力線和其返回路線所形成的閉合環路面積減到最小，便可達成此一目標。

圖4 縮小天線環路面積以降低輻射發射。

將印刷電路板跡線的寬度盡可能地變寬，並將它與其返回路線並聯連接，便可以將跡線的電感降到最低。同樣地，由於線環(Wire Loop)的阻抗與其面積成比例，所以縮小電力線與其返回路線之間的面積，可以進一步降低其阻抗。

在多片印刷電路板內，將相鄰印刷電路板層上的電力線與返回路線這兩者中的一個放在另一個上方，便可將電力線與返回路線間的面積有效地縮小。縮小電力線及其返回路線間的環路面積，不僅降低RF阻抗，而且由於環路面積越小，產生的電磁場也越低，還會限制天線的有效性。

此外，位於印刷電路板外表面的接地層可顯著地抑制輻射EMI，尤其是直接位於雜訊產生源下面。

為進一步降低輻射雜訊，可以採用金屬遮罩將雜訊產生源放在接地的導電外殼內，並通過管線過濾器(In-line Filter)與乾淨的外部環境介接。共模旁路電容器也需要返回導電外殼上的接地。

系統級EMI減輕技術

雖然大多數的開關電源會設計成獨立的模組以滿足適用的EMI標準，但是為了滿足監管標準的要求，系統本身的設計也要將其所產生的EMI減到最少。在系統設計中要考慮抑制EMI的特定區域，包括訊號線、印刷電路板(PCB)和固態元件。

開關電源因為其固有的設計特性而會產生EMI。國內、外監管機構藉由頒布規則和標準來監管這些發射(Emission)問題，如FCC第15部分規則和CISPR 22標準。

電源模組是一個系統內許多部件中的一個，而對輻射和傳導EMI的要求則適用於整個電子系統。由於EMI要求適用於整個系統，所以要花很大的心思在系統設計上，以限制雜訊。

(本文作者為CUI首席技術長)