EMI 的量測與設計

電磁干擾量測、抑制與濾波器設計講員：羅有綱國立台灣科技大學電子系日期：92年2月12日1內容簡介傳導性EMI量測系統雜訊分離技術濾波器設計與元件選擇電腦輔助軟體規劃設計實例PCB雜訊抑制技術結論2簡介電磁干擾(EMI)與電磁相容(EMC)EMI雜訊藉由傳導(Conducted)或輻射(Radiated)方式侵入系統，甚而影響系統操作EMS系統元件抑制外界雜訊的能力EMC電子設備對於外界電磁環境的容忍程度一個好的設計不會產生雜訊影響其他系統不受其他系統雜訊的影響所產生的雜訊不會影響本身系統3簡介EMI抑制效果與產品開發階段的關係設計階段測試階段生產階段可用技術花費預防重於治療4簡介電磁干擾三要素雜訊放射源雜訊耦合路徑感受體N=GCS降低干擾嚴重性的技術：G增加脈波信號的上升、下降時間高頻切換開關兩端加上snubberC接地、遮蔽、隔離、改善佈線S濾波器5簡介EMI傳導路徑輻射性雜訊藉由開放空間(空氣)向外傳遞遮蔽、接地、隔離等傳導性雜訊藉由任何電路元件而傳遞濾波器複合性上述兩者綜合以頻率範圍區分6簡介切換式電源供應器的EMIAC電源SMPS電子系統產生原因1內部高頻切換動作高頻方波tONTv(t)=D(1+2Ancosnot)D：責任週期An=sin(nD)/nD7簡介產生原因2開關切換瞬間di/dt、dv/dt高雜訊電壓或電流抑制對策系統參數：輸出功率、元件值、切換頻率等外加電路：緩振器、軟切換技術等電路佈線：接地處理、元件位置等屏蔽、濾波器8簡介EMI相關規範國家或組織法規美國FCC德國VDE歐洲CE日本VCCIIECCISPR台灣CNS9簡介FCCClassB規範RadiatedEmission(3m)Frequency(MHz)V/mdBV/m30~881004088~21615043.5216~9602004696050054ConductedEmissionsFrequency(MHz)VdBV0.45~302504810簡介差模雜訊與共模雜訊差模(Differential-mode,DM)雜訊：兩導線上的電流其振幅相等而相位相反者共模(Common-mode,CM)雜訊：兩導線上的電流其振幅相差極小，而相位相同者產品LGiDMCMiNCMi市電各個擊破11簡介電磁干擾耦合途徑切換式電源天線作用構件輻射耦合互感雜散電容MCS1S2S3S4S5S612簡介電磁干擾耦合途徑輻射耦合1.透過裝置外殼2.透過外殼縫隙或孔洞3.透過連接導線4.非正常輻射電導性耦合直接耦合或共阻抗耦合電容性耦合雜散電容+雜散電阻對地阻抗、頻率電感性耦合互感13簡介電磁干擾抑制對策配線、接地、屏蔽、濾波器次級使用軟性恢復二極體次級串接可飽和電感配線短、使用絞線、電流迴路面積小降低共同阻抗加入緩振器、使用軟切換技術加入EMI濾波器主變壓器初次級繞組間的屏蔽功率晶體與散熱片間的屏蔽金屬外殼接地14傳導性EMI量測系統系統方塊圖15傳導性EMI量測系統電源傳輸阻抗穩定網路(Lineimpedancestabilizationnetwork,LISN)使得由待測物所看出之交流電源阻抗在整個傳導性EMI的測試頻帶內為一穩定值阻隔非由待測物所產生之傳導性EMI傳輸60Hz電力信號至待測物拾取由待測物所產生的雜訊16傳導性EMI量測系統LISN的內部電路17傳導性EMI量測系統LISN在10kHz~100MHz的阻抗特性18傳導性EMI量測系統測量設備接法19傳導性EMI量測系統測量設備接法1.內接電線離地至少40cm，過長部份綁成30-40cm之線束。2.連至周邊設備之I/O線必須綁束，末端可以接上正確之終端阻抗，總長不得超過1m。3.待測物接至LISN，未使用的LISN接頭須接上50阻抗，其餘設備由第二台LISN供電，LISN距離待測物至少80cm。4.手動設備如鍵盤、滑鼠等之接線，必須儘可能靠近主機。5.非待測物設備與待測物之間距離為10cm，顯示器例外。6.待測物後緣須與測試桌切齊。7.測試桌後緣漢與地面相接之垂直導電平面之間至少距離40cm。20雜訊分離技術分離共模與差模雜訊電流探棒(Currentprobe)共模/差模辨識網路(CM/DMdiscriminationnetwork)差模拒斥網路(Differentialmoderejectionnetwork)主動型雜訊分離器(Activenoiseseparator)功率結合器(Powercombiner)軟體分離法(Software-basedCM/DMmeasurement)21雜訊分離技術電流探棒測量CM電流測量DM電流CM與DM雜訊皆可分離可得到兩倍的CM與DM雜訊需要利用轉移阻抗(transferimpedance)曲線校正測量結果22雜訊分離技術共模/差模辨識網路高品質射頻變壓器CM與DM雜訊皆可分離可得到兩倍的CM與DM雜訊準確度高23雜訊分離技術差模拒斥網路DM等效電路CM等效電路簡單、成本低僅能得到一倍的CM24雜訊分離技術主動型雜訊分離器CM雜訊分離電路DM雜訊分離電路CM與DM雜訊皆可分離可得到兩倍的CM與DM雜訊有負載效應、增益頻寬互相影響額外的直流電源25雜訊分離技術功率結合器功率結合器埠A埠B埠SP1=P2=Pin(V1=V2=Vin)0o功率結合器：Po=PP122+PP12cos當=0oPo=2PinVo=2Vin可得2倍CM雜訊當=180oPo=0Vo=0180o功率結合器：Po=PP122PP12cos當=0oPo=0Vo=0當=180oPo=2PinVo=2Vin可得2倍DM雜訊26雜訊分離技術以功率結合器為主的雜訊分離器高頻寬：4kHz~60MHzCM與DM皆可分離準確度高(振幅誤差0.3dB，相位誤差小於3o)27雜訊分離技術軟體分離法L=CM+DMN=CMDM|L|2=|CM|2+|DM|2+2|CM||DM|cos|N|2=|CM|2+|DM|22|CM||DM|cos|L|2+|N|2=2(|CM|2+|DM|2)1.利用DMRN測量CM2.利用上式計算DM28濾波器設計與元件選擇CM與DM複合式濾波器LCM:共模扼流圈LDM:差模電感Cyi:共模電容Cxi:差模電容29濾波器設計與元件選擇CM濾波器等效電路fc,CM=yDMCMC2L21L21122LCCMy衰減能力為40dB/dec30濾波器設計與元件選擇DM濾波器等效電路fc,CM=xleakageDMCLL221衰減能力為40dB/dec31濾波器設計與元件選擇EMI濾波器元件選擇濾波器元件對CM雜訊對DM雜訊元件值範圍LCMLCMLleakage數mH~數十mHLDMLDM/22LDM數H~數百HX電容無Cx0.015pF~1FY電容2CyCy/2470pF~4700pFLCM高值的ferritecore、漏電感LDM低值的powdercoreX電容metalfilm、絕緣層安規、洩放電阻Y電容漏電流、高壓陶瓷電容、容值較小32濾波器設計與元件選擇LCMICMICMIDMIDMDMDMCM漏電感LleaknBmaxA/IDM可用值較高且成本低的ferritecore、感值約幾mH至幾十mH33濾波器設計與元件選擇LDM採用值較低且成本低的powdercore、感值約為幾十H至幾百HX電容考慮交流側的雷擊作用認證許可洩放電阻X電容大於某值後，其電壓在固定時間內必須小於某個值幾百k至幾MY電容考慮漏地電流CyIg/2fVin34濾波器設計與元件選擇安規所允許的最大Y電容國家安規漏地電流限制值最大Y電容美國UL478UL12835mA120V60Hz0.5-3mA120V60Hz0.11F0.011-0.077F加拿大C22.2No15mA120V60Hz0.11F瑞士IEC335-10.75mA250V50Hz0.0095F德國VDE08043.5mA250V50Hz0.5mA250V50Hz0.0446F0.0064F英國BS21350.25-5mA250V50Hz0.0032-0.064F瑞典SEN4329010.5mA250V50Hz0.25-5mA250V50Hz0.0064F0.0032-0.064F35濾波器設計與元件選擇電感元件非理想特性C：寄生電容R：寄生電阻包含鐵損與銅損，隨著頻率上升而增加低頻時R+jL；高頻時1/jCLCM自共振頻率約為200k~2MHzLDM自共振頻率約為5M~30MHz36濾波器設計與元件選擇電感元件非理想特性5HDM電感3mHCM電感37濾波器設計與元件選擇提高電感頻寬的方法降低寄生電容繞線與繞線繞組與鐵心加上絕緣物串聯一輔助性高頻小電感在接地線上串聯輔助電感38濾波器設計與元件選擇電容元件非理想特性L：寄生電感R：寄生電阻低頻時1/jC；高頻時jL在自共振頻率fres時RfresX電容的fres約為1M~5MHzY電容的fres約為15M~50MHz39濾波器設計與元件選擇電容元件非理想特性3300pFY電容0.47FX電容40濾波器設計與元件選擇提高電容頻寬的方法降低寄生電感內部導線與繞組結構外部接腳選擇頻寬夠高的電容，但成本也較高外部接腳與相接導線盡量短並聯一輔助性高頻小電容41濾波器設計與元件選擇濾波器阻尼設計CM阻尼元件設計CLyC225CMOI,CMSI,4.2mH15nf150K~30MHz的範圍內，Lc和2Cy的阻抗遠大於25轉折頻率(約20kHz)會發生並聯諧振42濾波器設計與元件選擇並聯電阻串電容之CM阻尼電路CLyC225CMOI,dRCMSI,4.2mH15nf530dC15nfCd=n(2Cy)Rd=(Lc/2Cy)1/243濾波器設計與元件選擇CM濾波器頻率響應101102103104105106-80-60-40-2002040FrequencyHzdb101102103104105106-80-60-40-20020FrequencyHzdb44濾波器設計與元件選擇濾波器阻尼設計DM阻尼元件設計DL21001XC2XCDMSI,DMOI,28uH1uf1uf轉折頻率會發生並聯諧振45濾波器設計與元件選擇串聯電阻之DM阻尼電路DL21001XC2XCDMSI,DMOI,28uH1uf1ufdRRd=1/2fR,DM46濾波器設計與元件選擇DM濾波器頻率響應101102103104105106-120-100-80-60-40-20020FrequencyHzdb101102103104105106-120-100-80-60-40-200FrequencyHzdb47濾波器設計與元件選擇濾波器設計步驟計算衰減量決定濾波器元件值低頻和高頻部份是否皆符合規範限制﹖是結束否低頻段是否符合規範限制﹖否採用較低的濾波器轉折頻率是檢查元件的高頻效應檢查輻射性耦合問題在轉折頻率處加入阻泥電路計算轉折頻率48電腦輔助軟體規劃硬體方塊圖49電腦輔助軟體規劃硬體需求PCHPIB卡HP8590E頻譜分析儀LISN雜訊分離器DMRN軟體需求Win98以上VisualBasic或LabView50電腦輔助軟體規劃軟體功能簡介1.規範含FCC、CISPR、VDE等三種規範可由電腦控制頻譜分析儀的面板可顯示由頻譜分析儀的單次掃描結果並檢驗是否符合安規可掃描十次雜訊作幾何平均2.濾波器自動根據測量結果設計各元件值