切换式电源供应器电磁兼容测量

摘要：本文将说明切换式电源供应器的传导性与幅射性电磁干扰，以及耐受度（conducted and radiated emission and susceptibility）的测试法规、方法，以提供给切换式电源供应器设计工程师及从事电磁兼容（EMC）测试人员，使其具备相关EMC实验设立及执行程序知识。

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。但是在一般的切换式电源供应器设计工程师及其学校基础养成教育上，均着重在切换式电源供应器电路原理及架构，而忽略电磁兼容设计的重要性。因此，一个新设计的电子产品，可能因其设计初期未考虑电磁兼容设计，使得产品原型无法通过电磁兼容测试取得国际认证，而错失商机。

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。