EMI測試:峰值、準峰值和平均值

為了符合安全法規要求，所有消費性電子產品都需要進行電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）的試驗，因此，EMI測試有沒有合乎規範對於電源轉換器推向市場相當重要。設計者會在各自公司實驗室事先測量電源轉換器的EMI，這不僅可以提早發現潛在問題以及減少前往業界認證的第三方實驗室測試的成本。本文介紹符合標準定義的三種波形，包括準峰值（Quasi-Peak，QP）、平均值（Average，AV）和峰值（Peak，PK），並解釋這三種檢測值的意義，以幫助使用者更清楚地理解EMI試驗的結果。

 

緒論

電磁相容性(EMC)是指設備或系統能在其所處的電磁環境能不受到影響，且不會產生對環境中的其他設備無法承受的電磁干擾。EMC的測試內容涵蓋設備在運作時，對環境產生的EMI，其中包含傳導發射(CE)和輻射發射(RE)。CE試驗需要準備EMI接收器、線路阻抗穩定網路(LISN)、EMI濾波器，另外RE試驗需在沒有電氣干擾的半電波暗室(SAC)進行，半電波暗室的構造包含吸波材料、非導電待測物轉台、前置放大器、頻譜分析儀、EMI接收器以及寬帶天線。RE實驗室配置示意圖如圖1。

以及設備在具有EMI的環境中，所擁有的抵抗干擾能力，又稱電磁耐受性（EMS），其中包含靜電放電抗擾度(ESD)、電快速瞬變脈衝群抗擾度(EFT)及突波抗擾度(Surge)。

為了因應市場需求，電源轉換器的封裝正在逐年縮小。然而，為了實現體積的縮小，必須減少磁性元件（如變壓器及電感器等）的尺寸，因此開關頻率必須提高。然而，高頻率帶來的導通損耗、關斷損耗和驅動損耗也會相應增加，甚至可能導致嚴重的EMI問題。

EMI可能導致其周邊環境中的設備效能下降，甚至損壞，例如損害汽車電子系統的運作，導致防鎖死煞車系統（ABS）失效。因此，在電源轉換器的設計階段，需要依據法規的規定來設計其數值，確保在各種應用中都不會對其他設備造成干擾。

 

傳導發射與輻射發射的安全規範

國際無線電干擾特別委員會（CISPR）宣布，CISPR 32/EN 55032取代舊有的EN 55022，對Class A和Class B的CE及RE限制進行了規範。下圖顯示了150kHz至30MHz頻率範圍內，EN 55032對CE的A類和B類設備。

 

RE試驗中有三項要求，分別是30MHz到1000MHz頻段適用3公尺和10公尺的測試距離、定義待測設備(E.U.T.)在測試中的距離，以及接地平面上需增加絕緣架設。下圖顯示了在30MHz至1000MHz頻率範圍內，不同測試距離下，EN 55032對RE的A類和B類設備在QP檢測器下的限制。

 

EN 55032規定了額定均方根電源電壓不超過 600 V的多媒體設備，其CE和RE必須根據產品使用環境進行限制。這些設備可以分為用於住宅環境中的Class B類（藍色）設備，以及用於其他環境中的Class A類（紅色）設備，兩者分別不得超過QP和AV的限制。

 

PK、QP和AV特點

EMI接收器擁有符合國際標準定義的三種不同的測量參數，分別是QP、AV和PK，它們在評估EMI程度時會依據不同應用而選擇，下圖為三種檢測值的示意圖。

在實際EMI試驗中，依照產品應用選定法規限制線，以下示意圖以Class B的QP與AV作為檢測線，檢測產品是否符合規格要求。

(1) 峰值檢測(PK):

PK表示電磁發射的最大值，即在單位時間內取得每個諧波的最大峰值，其用於測量設備所散發的電磁發射訊號最嚴重的程度。PK通常比QP和AV都高，對於規範的要求也相對嚴格，因此適合用於量測設備在極端情況下的EMI。例如，軍用設備的干擾試驗須以PK波形為主，因為多數軍用設備若受到單次或瞬態脈衝的干擾，可能會造成數位設備的誤動作。

(2) 準峰值檢測(QP):

QP表示EMI在單位時間的加權平均值，依據每個諧波的幅度大小與重複頻率進行一定比例加權。若某頻率的訊號在一段時間內重複出現的頻率較高，則該信號將得到較高的量測值。如下圖，脈衝訊號與圖4相比之下出現的頻率較高，則QP值也較高。

QP較接近實際值，其通常介於AV與PK之間，適合用於評估設備在實際情況下所散發的EMI訊號。許多電子產品的EMI測試皆使用QP作為標準，例如，工業馬達在進行 EMI 試驗時，假設有出現 PK 超出法規標準的狀況，是因為PK檢測會捕捉到瞬間的最大干擾信號導致。然而，這些干擾信號出現的頻率較低，因此當使用 QP檢測時，由於其重複率較低，檢測結果仍可以符合法規要求。因此，許多實際應用中即使PK超標，QP和AV的檢測值卻不一定會超標。

(3) 平均值檢測(AV):

AV表示EMI在頻率範圍內的平均值，平均幅度取決於每個諧波出現的頻率，能夠捕捉到頻繁出現的干擾信號，較不受到偶發或瞬時的峰值干擾的影響。 由於AV檢測需長時間來取得的所有干擾信號的平均值，因此其檢測值通常較QP低，所以AV檢測較適合用於評估設備在連續工作或穩定狀態下的EMI，例如，在正常條件工作下的設備。

 

實際測試情況

在實際測試中，不僅會觀察PK檢測結果來優先考慮干擾程度最嚴重的情況，也會偵測QP以及AV波形來當作評估電源轉換器EMI程度的參考。

為了讓產品通過合規測試，需要考量到測試設置的不準確性，並建議實驗結果至少低於法規標準6dB的餘量，這次實驗時使用的電源轉換器規格為下表。

表1. 電源轉換器的規格

	DC-DC Converter
輸出功率	30 W
輸入電壓	24 V
輸出電壓	3.3 V

由圖7(a)可以看出，在進行電源轉換器的CE試驗時，會以頻率範圍內的最大值來判斷是否符合規格要求，圖中顯示，PK(藍色線)的最大值距離QP的限值有約30dB的餘量，而AV(綠色線) 的最大值距離AV的限值也有約30dB的餘量。在圖7(b)的RE試驗中，PK距離限制值有約10dB的餘量，這表示產品在初次測驗時有較高的信心能通過合規測試。

在三種檢測中，PK獲得的測量值是最高的，若測量值低於標準限制值，可以判定通過合規測試的標準。但是，當產品剛通過PK檢測時，建議也可以進行QP和AV檢測，這有助於找出潛在的問題並確保產品在各種情況下的EMC。

 

結論

對於 EMI 試驗，選擇支援QP、PK和AV檢測軟體的頻譜分析儀非常重要。QP檢測會考慮了雜訊脈衝的能量以及頻率、AV檢測表示在頻率範圍內出現多次的脈衝測量平均值，以及 PK檢測最大脈衝峰值，此能夠評估在最壞情況下的EMI水平。

因此在評估設備的EMC時，三種參測試皆需要考慮，以確保設備在不同情況下都能滿足其要求，並對產品能否達標有準確的瞭解。

 

 

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