電源供應器 EMI 和 EMC 量測簡介 - 第 1 篇：傳導 EMI

電子裝置在我們的生活中幾乎無處不在，而在這些裝置激增下，不禁要問，裝置之間會產生多大的干擾？電磁相容性 (EMC) 和電磁干擾 (EMI)，是我們用來判斷電子裝置與系統是否搭配良好的指標。

EMI 測量值可以將一個裝置對其他裝置或系統造成的干擾程度量化。而與之相對的 EMC 測量值，則可以將外部系統對受測電子裝置之運作造成的影響程度量化。

為了將干擾降至最低，並確保所有電子裝置和系統均可相容，目前已制訂許多各國和國際的標準。這些標準化組織包括：國際無線電干擾特別委員會 (CISPR)、國際電工委員會 (IEC)、國際標準化組織 (ISO)、美國汽車工程學會 (SAE)、美國聯邦通訊委員會 (FCC) 以及其他組織。

電子產品的驗收測試是所有製造商銷售產品的通行證。設計人員在開始任何設計之前，都應該瞭解測試類型和規格限制。同樣地，開發工程師和技術人員應有能力執行預先合規測試，以便在產品驗收和推出時，將非預期的延誤情況降至最低。

就 EMI 而言，設計工程師在設計電源供應器時面臨諸多挑戰。干擾可以從電源處，經由空氣輻射開來 (輻射干擾)，也可透過裝置接線進行傳導 (傳導干擾)。測試標準包含對這兩種干擾類型的量測。本文接下來將討論傳導 EMI。

傳導 EMI 測試

電源供應器所產生的傳導干擾，源於切換式電源裝置內的非連續電流的流動。傳導干擾可分成兩個部分：共模訊號和差動訊號 (圖 1)。請注意，共模訊號是以相同方向在電源和受測裝置 (DUT) (在本例中為電源供應器) 之間的線路中傳播。接地線提供必要的返回路徑。差動訊號則是以相反的方向傳播。

圖 1：傳導 EMI 包含共模和差動部分，兩者是以 DUT 和電源之間訊號的流動方向為準。(圖片來源：Art Pini)

測試傳導放射時，需要使用線路阻抗穩定網路 (LISN)，並安裝在電源和 DUT 之間 (圖 2)。

圖 2：LISN 放置在電源 (線路 L 和中性線 N) 和受測電源供應器之間的範例。(圖片來源：Texas Instruments)

LISN 基本上是與電源串接的低通濾波器，其用途是確保在受測頻率範圍內具有穩定、已知的來源阻抗。另外，還可以在電源和 DUT 之間，以及測量設備和輸入電源之間提供隔離。請注意，在安全振幅位準下，LISN 還可以為測量儀器提供連線，這通常是頻譜分析器或 EMI 接收器。

Analog Devices 的 DC2130A 頻譜分析器電源管理板就是一款雙重 LISN。此評估板的一個部分，可在高達 800 MHz 的頻率範圍內，為測量埠提供 10 dB 的衰減。另一個部分則可提供 30 dB 的增益，在 10 MHz 至 2.5 GHz 的頻率範圍內將微弱的 EMI 訊號放大。兩部分都可以單獨使用，也可以組合使用 (圖 3)。

圖 3：DC2130A 的設定採用 -10 dB 和 +30 dB 的 LISN 進行共模隔離。可由電源供應器／電池供電給 +30 dB 放大器。(圖片來源：Analog Devices)

若要減少現有設計中的傳導 EMI，通常需要在電源和 DUT 的電源輸入之間，添加一個 EMI 濾波器。最新設計的 DC-DC 轉換器已具有板載主動 EMI 濾波器，相較於離散元件濾波器，可以在更小的實體面積內達到優異的 EMI 降低效果。

例如，Texas Instruments 的 LM25149-Q1EVM-2100 評估板就裝有此類主動濾波器 (圖 4)。這款評估板採用 LM25149-QI 同步降壓轉換器搭配一個主動 EMI 濾波器。此轉換器還提供展頻調變功能，可對切換時脈進行頻率調變，將任何 EMI 分散於一系列頻率內，進而降低峰值振幅。

圖 4：LM25149-Q1EVM-2100 評估板使用主動 EMI 濾波器和展頻調變功能。後者可將 EMI 分散於一系列頻率內，藉此降低峰值振幅。(圖片來源：Texas Instruments)

對於此評估板，這些技術的效果可在 CISPR 25 Class 5 的傳導放射測試中見證。此測試將未啟用緩解功能時，以及啟用主動 EMI 濾波器和展頻切換時的兩種傳導 EMI 加以比較 (圖 5)。這些測試使用 EMI 振幅 (dB) 相對於頻率的頻譜圖。

圖 5：CISPR 25 Class 5 傳導放射圖，將無緩解 EMI 功能下的 EMI 位準 (a)，以及啟用主動 EMI 濾波器和展頻功能下的 EMI 位準 (b) 加以比較。(圖片來源：Texas Instruments)

紅色水平線指出 CISPR 25 Class 5 認證所要求的傳導 EMI 峰值和平均測試位準。黃色顯示的是測得的峰值頻譜，在無緩解功能時，大約等於 2.1 MHz 切換頻率下的峰值測試限值，超過了平均測試限值。而在使用 EMI 濾波和展頻切換功能時，兩個峰值都遠低於測試限值。

結論

由於電子裝置無處不在，EMI 和 EMC 的測試和緩解越來越重要，但這是一項相當複雜的工程。即便如此，仍有一些基本的原則可循。如本文所述，測試傳導 EMI 需要用到電源、LISN 和頻譜分析器或 EMI 接收器。本系列文章的第 2 篇將探討輻射 EMI 測試。