與高級戰略應用/系統工程師 Nicola Rosano 的問答

問：在著手應對電磁干擾（EMI）挑戰之前，需要掌握哪些關鍵知識？

答：有效排查 EMI 故障需要扎實的實踐經驗。電磁相容（EMC）領域並非所謂的“玄學領域”。有些問題可以借助相關書籍解决，而有些問題則需要對實際物理系統進行精細調試。掌握以下四個方面的背景知識，能最大限度地减少測試中的失誤，為用戶節省大量時間。這些知識包括：

• 電磁相容（EMC）基礎知識（建議閱讀兩本相關著作）；
• 電力雜訊的兩大主要部分：差模雜訊與共模雜訊的區分；
• 線路阻抗穩定網路（LISN）是什麼及其在 EMI 量測中的重要性；
• EMI 濾波器設計。 學術背景固然重要，但工業級專業培訓課程更有效。 如果使用的開關頻率在常規範圍內（如 50kHz 至 200kHz），設計 EMI 濾波器似乎很容易，然而，當開關頻率較高時（如 Vicor 模組可達 MHz 級），設計人員可能會面臨元器件的物理極限和其他複雜問題，這使得元器件選型的難度超過預期。

每個電源設計師遲早都會發現，在設計的最後階段，最可能導致返工的三大難題往往是：熱管理問題、安全相關問題或頑固的電磁干擾（EMI）問題。其中，EMI問題最難預測，因為它像一個名副其實的“氣球”。如果我們試圖“壓制”一個頻段的發射頻譜，它就會在另一個頻段“鼓出”。因此，常常發生這樣的情况，當傳導發射達標時，輻射發射可能又超出限值，反之亦然。電源系統中的EMI整改極具挑戰性，部分原因在於大量未表徵的寄生參數會發揮作用，它們相互影響、競相作用。因此，難以完全避免實驗室調試。電磁領域的規則就是：所有電氣設備需彼此友好共存，成為“好鄰居”——既不會對其他設備造成過多干擾，也不會對其他設備的干擾過於敏感。

問：傳導發射和輻射發射過高的主要危害是什麼？

答：電磁相容（EMC）可分為四個領域：傳導發射、輻射發射、傳導抗擾度和輻射抗擾度。

開關電源（SMPS）最容易出問題的就是前兩個領域：傳導發射和輻射發射。在這種情況下，EMI 過高的主要危害可概括如下：電磁干擾（EMI）、元器件應力、合規性問題、射頻干擾（RFI）、訊號失真和效率降低。 控制傳導和輻射 EMI 的主要目的是防止一個電力系統的發射干擾第二個或第三個系統。對此，消費者最直觀的感受就是EMI干擾車載娛樂系統的無線電訊號，導致音質變差或訊號遺失。從操作方面看，過量的 EMI 可能降低車內所用數據訊號的質量，甚至導致車輛無法讀取所有必要的數據，從而無法滿足排放和安全合規要求。

問：解决 EMI 問題的傳統方法及其各自的權衡取捨有哪些？

答：解决 EMI 問題的主要傳統方法及其各自的權衡取捨包括：輸入輸出濾波器、遮罩、接地技術、緩衝電路、擴頻技術開關。在這些方法中，確保良好的接地路徑以及功率級拓撲的選擇和控制至關重要。 如果功率級採用硬開關，產生的高水准 EMI 和開關損耗會使得實現 MHz 級的高切換頻率變得極其困難，甚至幾乎不可能。 此外，如果接地處理不當，設計人員在測試中僅靠濾波器無法有效解決 EMI 問題。因此，良好的佈局設計往往比濾波器設計更為關鍵。這也解釋了為何部門間的緊密合作對整個開關電源（SMPS）的開發和量產至關重要。

問：在 EMI 深度檢測中，哪個元器件被視為被測設備（DUT）？

答：要準確理解這一點，首先要瞭解一下被測設備（DUT）。NBM9280 是一款主機殼安裝、非穩壓、非隔離、雙向、高效 DC-DC 轉換器，之所以選擇它，是因為其具有超高切換頻率及車規級認證。它的峰值效率達 99%，主要用於汽車行業中的 800V/400V DC-DC 轉換。它尺寸緊湊，僅為 92 × 80mm，卻能處理 30kW 的功率流。NBM 通常充當 DC-DC 快速充電樁（額定電壓為 400V，放置在汽車外部）和高壓電池（額定電壓為 800V，放置在汽車內部）之間的介面。 除電流共享功能外，NBM 的主要優勢之一是它允許任何 OEM 在不改造整個動力系統的情况下使用 800V 電池，從而顯著减少工作量和時間。

問：共模（CM）譟音如何影響被測設備（DUT）？

答：若以接地（GND）為參考量測 NBM 金屬外殼上的雜訊，會觀測到其方波形雜訊類似於 NBM 內部高壓快速開關節點的雜訊。這種雜訊相對固定，基本不受負載變化影響，也就是說，即使負載發生變化，諧波含量也基本保持不變。如果 NBM 金屬外殼與線路阻抗穩定網路（LISN）直接相連，可使用接地探頭檢測金屬外殼相對於接地面的諧波含量。 如果將金屬外殼與接地路徑隔離，就可以有效抑制共模雜訊分量，從而减少傳導發射測試中的整體雜訊。

問：解决被測設備（DUT）共模（CM）雜訊的主要技巧是什麼？

答：使用分佈式旁路電容器有助於通過降低雜訊改善共模效能。實驗證明，在同樣的背景下，在高 dv/dt 區域附近分佈式放置電容器能顯著降低共模雜訊。另一種方法（與前述方法相輔相成）是通過在電源線周圍使用鐵氧體磁環，使電線中的電流相互抵消，從而降低交流雜訊分量。這一方法可有效降低紋波，大幅削弱 EMI 頻譜强度。外部鐵氧體還有助於减少任何不平衡電流分佈。

問：符合 CISPR 32 標準的濾波器拓撲有哪些？

答：主流濾波器拓撲有三種：L 型、π 型和 T 型。只要設計得當，任何一種拓撲均可將總體雜訊降低到限值以內。 在我提到的案例中，我採用了 L 型拓撲，因為其在測試過程中實現起來更簡便且成本更低。

問：使用高工作頻率的優缺點是什麼？

答：在功率相同的情况下，高頻率是小元器件的代名詞。因此，重量輕和體積小無疑是一個優勢。但另一方面，開關損耗往往會隨著頻率的新增而新增。良好的設計策略是選擇高頻率並採用諧振拓撲。諧振拓撲是先進的開關電源（SMPS）設計，可在任何頻率下消除開關損耗，實現超高的效率。

問：本次研究的主要經驗教訓是什麼？

答：就本次案例研究而言，主要經驗教訓如下：

• 該被測設備的奇次諧波幅值與負載無關，但偶次諧波幅值會隨負載新增而增大。
• 將 NBM9280 的金屬外殼與接地隔離開，可改善 EMI 傳導發射結果。通過實施 π 型濾波器可有效抑制二次諧波分量的新增。
• 要滿足更嚴苛的 CISPR 25 Class 4 & 5 標準，仍需對一次諧波進行更多衰减。一種可能的解決方案是在 HI/PGND 上使用不同規格的鐵氧體磁環，以進一步衰减一次諧波，或者考慮採用雙級濾波器。
• 使用高開關頻率可以實現非常緊湊的濾波器尺寸。

Nicola Rosano 於 2022 年加入 Vicor，擔任歐洲、中東和非洲地區（EMEA）高級戰略應用與系統工程師，提供汽車電源系統相關的技術支援和諮詢。在加入 Vicor 之前，他曾在 Thales Alenia Space 和 Airbus Defense and Space 的軍事、國防和太空部門工作，還曾在 BorgWarner 和 Stellantis 的汽車業務部門擔任過高級硬體電源系統工程師。 他擁有多項專利，並正籌備在 YouTube 上開通一個類比/電力電子學教育頻道。他目前的研究重點包括電力電子學、電路和系統、電子儀器以及工程教育。Rosano 於 2010 年獲得電氣工程學士學位，並於 2013 年以優异的成績獲得了碩士學位。

作者：Nicola Rosano，高級戰略應用與系統工程師