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EMI建議線路_傳導

7 月 30, 2021
電磁兼容
對策方式
Electromagnetic Compatibility
Solution

電磁兼容(EMC)主要可以分成兩大部分，第一是電磁干擾(EMI)，主要是設備或產品運行時，發生的電磁干擾不會影響到周圍環境的其他設備。另一部分是電磁耐受(EMS)，設備或產品在受到電磁干擾的情況下也能正常工作，如圖1所示。

電子產品必須滿足相對應的電磁干擾規範，意思是產品在設計的過程中，必須包含相對應的對策方式，無論是需要外接零件或者是將對策元件包含在產品內部。

常見的規範如下

  • 資通訊產業 - CISPR22/32
  • 工業 - CISPR 11
  • 鐵道 - EN50121-3-2
  • 車用產業 - CISPR 25

目前世界各國對於電磁兼容大多有管制及要求，產品通過相對應的測試，才被允許進入特定國家販售，如歐盟的CE、美國FCC、台灣BSMI、中國3C、日本VCCI等等。由於現代電子產品的功能與操作速度越來越強大與快速，相對應的，產品的電子線路也越來越密集與複雜，電磁干擾(EMI)和電磁相容(EMC)問題變成了設計上的主要挑戰，本文主要討論如何抑制電磁干擾中的傳導部分。

 

1. 常見對策方式

EMI的抑制方式有很多組合，如PI型或共模濾波器的組合，以及零件在PCB上的佈局方式，都會影響到EMI的測試結果，本文討論濾波器等零件方面的組合，以下介紹常見的對策方式。

  • LC濾波器

濾波電路最主要的目的就是消除不必要的連波雜訊，雜訊的產生與電流的擾動或不連續息息相關，因此，抑制電流擾動就是濾波電路最主要的目的，常見的零件有電容器、電感器與兩者組合的濾波器。

圖2(a)為常見做為輸入端使用的低通濾波器，是由電容與電感所組成，主要的目的在於抑制高頻的雜訊，避免高頻雜訊流入到電源端。將低通濾波器多加一個電容，就變成PI型濾波器，如圖2(b)所示。

  • 共模濾波器

共模濾波器是由兩個電容器與共模電感所組成，如圖3(a)所示。共模電感的結構是由兩個線圈繞在同一個鐵芯上，形同於兩個電感。如圖3(b)所示，當共模電流流過時，因此磁通量增強，等同於電感感抗增加，共模電流不易流過，等同於共模雜訊難以通過。當差模電流流過時，因此磁芯產生的磁通方向相反，磁通抵消，差模電流直接通過。

  • 混和濾波器

 

混和濾波器就是將共模濾波器與PI型濾波器組合，共模雜訊可以透過共模濾波器抑制，PI型濾波器再將高頻的差模訊號濾除，達到較好的雜訊抑制效果。

 

2. 實驗與測試

接下來將使用幾個不同功率的轉換器，並搭配圖2~4所提到的濾波器，實際測試電磁干擾中的傳導測試圖。

  • 轉換器1:

輸入電壓: 24V

輸出電壓: 5V

輸出電流: 3A

操作頻率: 350kHz

圖5為未加EMI濾波器的量測波形.

圖6(a)為PI濾波器線路，外接對策分別為C1, C2為4.7uF (50V, 1210, MLCC), L1為4.7uH (TMPA0605S-4R7MN-D).

圖6(b)為量測波形圖，與無外接的圖5比較，可以看到主頻與諧波的訊號都有下降的趨勢，但是在1MHz到30MHz的訊號並沒有下降的趨勢。

圖6(b)為量測波形圖，與無外接的圖5比較，可以看到主頻與諧波的訊號都有下降的趨勢，但是在1MHz到30MHz的訊號並沒有下降的趨勢。

圖7(b)為量測波形圖，與無外接的圖5比較，可以看到主頻與諧波的訊號比較沒有下降，但是在1MHz到30MHz的訊號下降的幅度比較大。

圖8(a)為混合濾波器線路，外接對策分別為C1, C2, C3為4.7uF (50V, 1210, MLCC), CMC1為1mH (鐵芯尺寸16X12X8C), L1為4.7uH (TMPA0605S -4R7MN-D).

圖8(b)為量測波形圖，與無外接的圖5比較，可以看整體都有下降的趨勢。

  • 轉換器2:

 

輸入電壓: 24V

輸出電壓: 12V

輸出電流: 5A

操作頻率: 250kHz

圖9為未加EMI濾波器的量測波形.

圖10(a)為PI濾波器線路，外接對策分別為C1, C2為10uF (50V, 1210, MLCC), L1為1.5uH (GSTD6030PE-1R5M).

圖10(b)為量測波形圖，與無外接的圖9比較，可以看到主頻與諧波的訊號都有下降的趨勢，但是在1MHz到30MHz的訊號並沒有下降的趨勢。

圖11(a)為共模濾波器線路，外接對策分別為C1, C2為10uF (50V, 1210, MLCC), CMC1為2.1mH (鐵芯尺寸20X12X8C).

圖11(b)為量測波形圖，與無外接的圖9比較，可以看到主頻與諧波的訊號比較沒有下降，但是在1MHz到30MHz的訊號下降的幅度比較大。

圖12(a)為混合濾波器線路，外接對策分別為C1, C2, C3為10uF (50V, 1210, MLCC), CMC1為2.1mH (鐵芯尺寸20X12X8C), L1為4.7uH (GSTD6030PE-1R5M).

圖12(b)為量測波形圖，與無外接的圖9比較，可以看整體都有下降的趨勢。

表1是將上面兩個測試結果統整的表格。從濾波的表現來看，PI型濾波器主要對於主頻與一、二次諧波的抑制比較有幫助，但是對於1~30MHz的訊號抑制較果有限。但是，PI型濾波器的零件簡單，因此還是很多設計者會優先使用PI形濾波器。共模濾波器對於抑制1~30MHz的效果較好，但是抑制主頻的效果有限。因此，將兩個濾波器組合起來就變成混和型濾波器，對於整體的訊號都有抑制的效果。但是缺點是，使用上佔用的空間較大以及要注意PCB的走線。

表1. 濾波器比較表
  PI Filter CMC Hybrid CMC
Performance Normal Good Better
Layout Space Small Normal Large

 

結論

抑制電力電子產品的電磁干擾，一直都是產品設計者的痛點，對於傳導干擾的部分，本文舉例三個最常見的濾波器，並實際測試分析抑制的效果以及使用的優缺點。使用者可以參考測試資料，調整最適合的對策方式。

 

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