電源管理－電源轉換之電磁相容性（EMC）

（作者黃榮豐／美商快捷半導體亞太區首席技術經理） 2005/02/21

前言

電磁相容性（EMC）在過去十年已成為非常通曉的名詞。在 90 年代，歐洲要求銷售於其地區的產品，必須降低輻

射干擾及傳導干擾。因此，現在產品在設計階段，就會考慮到如何通過電磁相容性的測試。

但是什麼是 EMC? EMC 指裝置、產品和系統在給予的電磁條件下，正常工作且不會降低效能和成為干擾源的能力。

有某些團體如 IEC 及 CISPR 專門制定 EMC 標準，給予人遵循之依據。

本文會提到 EMC 對輻射干擾及傳導干擾之規範，包括共模雜訊及差模雜訊。如何利用主電源濾波器來克服此兩種

雜訊，亦將有例子說明。這些雜訊可能存在於電力線，也可能由內部開關元件產生。

EMC 規範

我們必須了解 EMC 規範，才可設計符合 EMC 的產品。在北美及歐洲，不特別要求電源模組必須符合規定，但是

電源系統要符合其規範。

國際電子技術委員會（Internal Electrotechnical Commission – IEC）負責制定歐洲的規範。CISPR（Comite

International Special des Perturbations Radioelectriques）國際無線電干擾特別委員會之 CISPR22 定義最嚴格的

輻射干擾限制，EN55022（圖 1）及 EN55011（圖 2）說明這些限制。而在圖 1 及圖 2 的 class A 及 Class B 是分別

針對於工業及本國產品的要求。依照偵測雜訊天線形式的不同，歐洲有兩個上限。其中準峰值天線（Quasi-peak）

的上限準位較高，而均值天線則是較低值的上限準位，但是每一裝置都必須通過此兩種測試標準才得以符合規定。

北美使用 FCC 標準，類似於歐洲的 EN 要求，兩個量測電源供應器的標準為 EN55011 及 EN55022。圖 3 及圖 4

分別表示 EN55011 及 FCC part15 subpartB （北美）輻射干擾準位。

在北美，根據 FCC 規定，輻射電磁干擾最常量測的頻率範圍從 30MHz 至 10GHz，而傳導干擾最常量測的頻率範

圍從幾 KHz 至 30MHz。

圖 1：EN 55022 傳導干擾準位

圖 2：EN 55011/FCC Part15 Subpart B 傳導干擾準位。2004 年 5 月 23 日後，FCC Part15 Subpart B 與 EN55011

的傳導干擾準位一致。

圖 3：EN 55011 輻射干擾準位

圖 4：FCC Part 15 Subpart B 輻射干擾準位

共模雜訊（Common mode）及差模雜訊（Differential mode）

兩個主要雜訊來源：一為共模雜訊，一為差模雜訊。共模雜訊（見圖 5）來自共模電流。在單相電力系統應用中，

其能量對兩條電力線是共同的，能量在導線上傳導為同向，以地為參考點。因為在同一時間，在兩條電力線上有一樣

的能量大小，而無法用任何元件跨在這兩條電力線間來作衰減。共模電流產生的共模雜訊，永遠存在於進入設備的電

源線上。因此我們可在原型機種設計階段，於測試是否符合 EMC 前，量測電源線以儘量降低電流。因為在大部份情

況，共模電流無法接受，則輻射干擾測試亦將失敗。共模電流可使用 250MHz 頻率範圍的高頻電流探棒及頻譜分析

儀來量測。

圖 5：共模雜訊

差模雜訊（見圖 6）與共模雜訊相反。其產生是由於電流進入火線（Line）而由中性線（Neutral）流出，反之亦

然。

圖 7 為一個單相 AC 電源濾波器範例，此濾波器普遍用於降低進出電源供應器的共模雜訊及差模雜訊。我們把圖 7

濾波器分成幾個方塊來幫助說明所有的功能。方塊 A 及 B 有同樣功能，但一是為了輸入雜訊，一為了輸出雜訊。

附註 : Section A 及 Section B 兩方塊進行同一作用。不同的是一為防止雜訊進入設備，而另一為防止雜訊離開此設

備。

圖 6：差模雜訊

圖 7：AC 電源線主濾波器

方塊介紹

■Section A:

電感 L1/L2 及電容 C1 形成一個差模濾波器，防止雜訊進入電源供應器。差模雜訊的產生，是由於電流流入火線（或

中性線）而由中性線（或火線）流出。L1 及 C1 或 L2 及 C1 構成一個分壓電路，針對於雜訊的頻率，電容器為低阻

抗（高負載） ，因此可降低電力線雜訊。舉例說明，在某一特定頻率，L1 的阻抗 10K，而 C1 的阻抗 1K，雜訊通過

濾波器強度只剩下原本十分之一或減少 20dB。

■Section B:

電容 C2 和 C3 形成一個對地的共模濾波器，共模雜訊是一流經火線（Line）及中性線（Neutral）導線，而藉安全

接地流回的同相電流，因而產生火線（Line）或中性線（Neutral）對地電壓，C2、C3、C4 及 C5 等容值，任何在這

些導線之共模雜訊皆將被引導到地。

附註 :醫療設備因漏電流關係不採用 Section B 的電路。

■Section C:

圖 7 Section C 為無參考點之 Zorro 電感（共模電感）。利用繞線圈方向使其產生之電流互為反向，因此任何雜訊

可互相抵消。因共模電流產生之磁通是累積的，產生阻抗，可減低線上雜訊。但差模電流流向相反，因差模電流產生

之磁通會相互抵消，因此其阻抗不會發生任何影響。

附註：電容 C1 和 C6 為 X 電容用於減低差模雜訊，且能耐主電壓. X 電容容值。通常從 0.1uF 至 2uF. C2 至 C5 電

容為 Y 電容，用於對付共模雜訊且不因損壞後而變短路。(因此比 X 電容貴，Y 電容值較小通常在 0.02uF 至 0.1uF 之

間。)

AC 電源線濾波器之設計範例 （返馳式交流轉直流轉換器）

■設計要求：

變壓器圈數比＝10

輸出阻抗（Zs）＝10Ω (負載阻抗，最大輸出功率之最惡劣條件)

雜訊降低要求 20KHz ＝ 35dB

為未知之頻率突波預留之額外空間＝6dB 交流頻率（F1）=60Hz 開關頻率（Fs）=100KHz

首先要知道輸出負載阻抗，以決定濾波器的值。由輸出阻抗，根據等式 1 導出一次側的阻抗。

Zp：＝a2·Zs─（等式 1）

Zp：＝1×103 Zp ＝一次側阻抗 Zs ＝二次側阻抗 a ＝變壓器圈數比

在輸入端，濾波器設計了使輸入端與負載端通透，其截止頻率要十倍於輸入的電源頻率，也就是說不可以小於

600Hz。若要求在 20KHz 頻率，雜訊減少 41Db（35dB 加上 6dB 的預留空間）。設計工程師可以把 20KHz 除 2，

而相對應的 dB 值為 41dB 減掉 12dB （如表格 1 所示）。開始先採用單電感來看是否達到我們的要求。如果不能，

就需要串聯第二個電感。單電感設計可讓每八度降 12dB 或每十倍頻率降 40dB。如表 1 所示，單一電感即足以達到

我們的要求。截止頻率為 1.25KHz（大於 600Hz 底限）。

若已知截止頻率，可由等式 2 得出電感值。

L ＝ Zp/（2π·Fo）─（等式 2）L ＝ 0.127H

其中

L ＝ 差動電感 Zp ＝ 一次側阻抗（從二次側反射過來）Fo ＝ 表格 1 之截止頻率

由等式 3，則可以決定差動電容的值，來完成 Section A 差模濾波器的設計。

Zp ＝ （L/Cd）1/2 ─(等式 3)Cd＝6.366×10-9 F

其中

L ＝差動電感 Zp ＝一次側阻抗（從二次側反射過來）

為了平衡濾波，在 line 及 neutral 即火線及中性線上各有一個電感。如此，我們可把求出的值除以 2，得到 64mH。

若感值太大，可使用二顆電感來設計以降低電感尺寸。而使用多電感設計不但可降低電感的尺寸，並因Ｑ值變小，振

盪的機會也會變小。

表格２顯示在濾波器中多加一顆電感，讓每八度下降 24dB，利用等式 4 及 5 導出新的感值及容值。

Lnew ＝ Zp/（2π·Fnew ）─（等式 4）Lnew ＝0.032H

其中

Lnew ＝新差動電感.Zp ＝一次側阻抗（從二次側反射過來）Fnew ＝表格 2 截止頻率

再一次，為了平衡濾波，導出之感值除以 2，得到 16mH。

Cdnew ＝Lnew /Zp2 ─（等式 5）Cdnew ＝3.183×10-8F

其中

Lnew ＝ 新的差動電感.Zp ＝一次側阻抗（從二次側反射過來）

現在剩下共模 Zorro 電感的值要求，方法如同上感值求法，除了把截止頻率由 Fo 改為 PWM 開關頻率及相同的衰

喊 dB 值，同差模濾波需二個電感，二個 Zorro 電感也需使用於共模濾波器上。

利用等式 6 及 7，可求出 Zorro 電感（Lzooro）及 Zorro 電容值。

Lzooro ＝ Zp/（2π·Foz）─（等式 6）Lzooro ＝ 6.366×10-3 H

其中

Lzooro ＝共模電感 Zp ＝一次側阻抗（從二次側反射回來）Foz＝表 2 截止頻率 Czooro ＝Lzooro/Zp2 ─（等式 7）

Czooro＝6.366×10-9

F

其中

Lzooro ＝共模電感 Zp ＝一次側阻抗（從二次側反射過來）

最後設計如圖８

圖 8：完成之濾波器

如在高頻雜訊有問題，可加一個鐵粉芯（鐵粉芯在低頻時，可視為一電阻（50 至 200Ω），在高頻（30MHz）時

則為電感）。如果在差模方面有問題時，增加一些 Lnew 感值，或使用品質較好的 Cdnew 電容，因為有可能在有問

題的頻率上有太大的漏電流。若為了對抗共模雜訊問題，則是增加 Lzooro 感值。

如何降低電源轉換時內外部雜訊

在交流轉直流之電源供應器上有 3 個產生雜訊的區域：

1.在進入電源供應器的主電源，永遠存在著雜訊（共模及差模）

2.電源供應器的開關頻率（共模雜訊）

3.快速開關時的上升及下降緣及 MOSFET 關閉時所產生的 ring

■AC 主電源

對雜訊比較大的主電源線，用 AC 電源濾波器。此濾波器要儘量靠近 AC 電源線，進入 PCB 板的位置，見圖９。且

下地要離一次側的大地愈近愈好，並儘量多打貫孔（VIA）。要減少共模及差模雜訊進出設計之單體，需要使用 AC

電源線濾波器。

圖 9：共模濾波器之連接到接地平面

■電源供應器的開關頻率

像系統時鐘，許多電源供應器有脈寬調節元件（PWM），用一個頻率切換來控制輸出電壓。因此如系統時鐘，需

小心其佈局，PWM 控制器也要小心考慮其佈局。

在返馳式，順向式或用其他架構設計變壓器，要確定從一次側的線圈繞組到主開關 MOSFET（無論外置或內置）

的洩極（Drain）的走線要儘可能粗且短，見圖 10。這可降低走線上的電感，來使 ringing 最小。而對 MOSFET 及

PWM 控制器而言，則需要足夠的接地孔及接地，需有與走線平行的地，來充當電流迴路（如雜散電容不會有問題）。

如果仍有問題存在，可如圖 10 般，移除位於 MOSFET 到變壓器走線下的地，使 MOSFET 洩極之電容達到最小。當

MOSFET 開關時，電流流經地對其雜散電容充放電，若圖 10 斜線部分之接地平面未移除時，額外之電流將流經地造

成更多的共模傳導雜訊。

圖 10：如何減少 MOSFET 洩極端之雜散電容

做為開開模式的 MOSFET 之源極，必須確實連接到一次側的接近平面。要達到此目標，可使用大的源極終端平面，

以可容納足夠的接地孔。（取決工作電流大小）以連接到接地平面。如圖 11。

圖 11：利用足夠大的接地平面及足夠數目的貫孔連接內建 MOSFET 的源極

■快速開關時的上升、下降緣及 Ringing

圖 12 所示為電阻、電容及二極體（RDC）線路（R1,C1 及 D1）。其目的有二：首先，C1 可減緩當 Q1 關閉時洩

極電壓的爬昇速度（平緩以減低輻射電磁干擾）。其次，可保持輸入電壓在 2Vcc 以下而不會超過 MOSFET 的崩潰電

壓。選擇夠大的 C1 電容，使洩極上升電壓及下降電流交點，降低使晶體的熱消耗大大減少。R2 及 C2 線路對減少當

MOSFET 回到輸入電壓準位時，所產生的一次側 ringing 也很重要。如圖 13 及圖 14 所示。

圖 12：RCD Snubber 及 RC ringing 電路

由以下步驟來決定 C2 及 R2 的值:

1.根據 ringing 的頻率來決定週期

2.由步驟１之週期乘以５

3.設定電阻值（通常低於 100）

4.步驟 3 之得值除以步驟 2 之得值

圖 13：無 R2，C2 之一次側電壓波形

圖 14：加 R2，C2 之一次側電壓波形

附註：C2 及 R2 電路之好處為可降低如圖 11 之 ringing。但壞處為高頻紋波流經 C2 在 R2 產生熱消耗，若減低雜

訊重於效率，則此線路可減少雜訊,但也減低效率。

印刷電路板之準則：

1.正確適當擺放零件之位置及方向

2.若使用散熱片，確實接地

3.必要時需隔離零件

4.共模電容應選用低等效電阻(ESR)且維持短的接地接•

5.若使用跨在變壓器之 Snubber 電路，以減緩 MOSFET 在關閉時之電壓上昇速度時，確定到 MOSFET 及變壓器的

走線要短。如可以，把 Snubber 電路置於電壓器二•之間。

6.避免在電源平面與接地平面間有狹槽

7.在 50MHz 頻率以下，傳•去耦合方法是有效的。使用一至二顆去耦合電容(通常為 0.1 或 0.01uF)置於靠近 IC 電源

及接地腳位，必須考慮到 IC 及電容間所形成之迴路面積要最小。

8.接地要夠短、夠厚及夠大

9.避免走線或平面有銳角

10.把會產生雜訊的零件放在一起，若要屏壁時,可較容易達到

11.若有可能時，使用多層印刷電路板

處理醫療設備的安全性

共模雜訊對較靈敏的設備，例如醫療設備是一個問題。若儀器會與病人接觸，則漏電流必須限制在 100uA 以下。

這意謂著，大部分的電源供應器的設計工程師，會限制漏電流在 20u 到 40uA 之間。為了達到此以嚴苛要求，不會

使用接到地的共模濾波電容，而是使共模電感及 feed through 電容(高頻雜訊被導引到機殼的地而不是信號地)，及

增加一個變壓器或隔離進入電源供應器的電力線，以降低共模傳導干擾脈衝。安規:IEC950/UL1950 Class II 即用於規

範醫療設備。

結論

目前 EMC 是設計系統的一個重要階段，而未來會更加嚴格。我們必須注意到當開關動作發生時，無論輻射或傳導

雜訊也跟著發生。本文提到的為關於 PCB 板層級設計時之技術，如果要降低更多輻射方面的雜訊時，使用導電性材

質的封閉外殼，來阻絕輻射源亦為另一種方式。但天下沒有白吃的午餐，為符合規範及安全規定增加成本是不可避免

的。（本文由美商 fairchild semiconductor 公司提供）