運用示波器 FFT 功能：加速電力電子 EMI 傳導放射預認證測試與除錯
- Sonya Chan
- 9月21日
- 讀畢需時 4 分鐘
前言：電力電子產業的應用與研發挑戰
在當今高速發展的電力電子領域，從消費性電子產品的電源供應器到電動車的充電系統，交換式電源供應器（SMPS） 的應用無所不在，然而，其高頻切換的運作特性也伴隨著嚴峻的 電磁干擾（EMI） 問題，這不僅影響產品本身的穩定性，更需符合各國嚴格的法規標準，開發工程師常面臨的困境是，直到產品開發後期進行法規認證測試時才發現 傳導放射 超標，這往往導致昂貴的硬體修改、PCB 重新佈局，甚至更換關鍵元件，嚴重衝擊開發時程與上市時間，因此，如何在開發初期就有效預測並解決 EMI 問題，已成為決定專案成敗的關鍵。
示波器是電力電子工程師不可或缺的主力工具，藉由其強大且易於使用的 快速傅立葉轉換（FFT（Fast Fourier Transform）） 分析功能，其應用領域已擴展至 EMI 除錯，進而為開發流程節省大量的時間與金錢成本，其中一項典型任務，便是在開發初期階段驗證 EMI 濾波器 的有效性。
您的任務
傳導放射測試 是每一款 交換式電源供應器（SMPS） 設計流程末期必須執行的強制性量測，開發者必須驗證產品符合適用標準，才能正式於市場發布，完整的法規認證測試需要一座測試暗室與一台合格的 EMI 接收器，如果產品測試結果超出標準限制，便可能需要修改電源供應器，這將對 SMPS 的許多部分產生深遠影響，例如 EMI 輸入濾波器、PCB 設計，甚至是切換頻率選用等概念性決策，這些變動都將顯著影響產品上市時間，且往往需要對產品進行局部重新設計，若能在開發週期的早期階段執行傳導放射測試，便可大幅降低此風險，對於預認證測試而言，您不一定需要測試暗室，但確實需要一台能夠以可比較的方式，量測電源供應器輸入與輸出線路頻譜的儀器，這可以是頻譜分析儀，也可以是示波器。
測試解決方案
Rohde & Schwarz 的示波器提供強大且易於操作的 FFT 分析功能，用以量測頻率成份的振幅，使用者能夠同時觀察到與時域相關的訊號，因此可將不必要的頻譜放射與時域事件進行關聯分析，這使得這些示波器成為功能強大的獨立儀器，可用於對電力電子設計執行早期的傳導放射測試，當研發實驗室中沒有專用設備，例如 EMI 接收器，可支援設計階段的預認證量測時，示波器就顯得特別有幫助。
越早將 EMI 合規性 納入考量，它在開發流程末期成為問題的可能性就越低，及早發現 EMI 問題，不僅修復成本較低，處理起來也更容易，由於示波器通常是硬體開發與系統測試期間所使用的主要儀器，因此它們也成為研發階段執行 EMI 相關測試的寶貴工具。
測試設置
為了量測電源供應器的傳導放射，需要使用 線性阻抗穩定網路（LISN（Line Impedance Stabilization Network）） 將 待測物（DUT（Device Under Test）） 與外部電源進行隔離，LISN 的同軸輸出必須連接至示波器的輸入埠，並在示波器端啟動 50 Ohm 輸入阻抗，以確保適當的匹配，在示波器上，需要執行以下步驟來量測頻譜：
啟動 FFT 功能，並設定最小與最大頻率以及 解析度頻寬。
在時域視窗中調整垂直靈敏度，確保當 待測物 通電時，輸入通道不會過載。
關閉 待測物 的電源以進行參考量測，此步驟是為了確認您了解設置的 雜訊底層，並確保該雜訊並非來自 待測物。
再次開啟電源並進行量測，對照已知的 待測物 傳導放射限制進行驗證，同時需將 LISN 可能造成的任何額外衰減納入考量。
案例研究 – EMI 濾波器的有效性
以下兩張螢幕截圖，展示了使用 R&S®RTM3000 示波器所進行的傳導放射量測結果，分別為未使用和使用 EMI 濾波器後的對比。
通道 1 顯示的是連接至 LISN 後所量測到的時域訊號，由於經過 LISN，此訊號會有 10 dB 的衰減，在將量測值與放射限制進行比較時，必須將此因素考慮進去，下方的視窗則顯示了電源供應器輸入端的頻譜，單位為 dBuV，在未使用 EMI 濾波器的情況下，可以清楚看見由直流對直流轉換器輸入端產生的雜訊頻譜。
相較之下，使用 EMI 濾波器後的量測結果顯示，輸入線路上的傳導放射被有效地衰減，在某些頻率點上，可觀察到高達 30 dB 的衰減效果。
若要驗證較低頻率範圍的放射，使用者需要針對低頻區段重新進行量測。
總結
Rohde & Schwarz 示波器的 FFT 功能 是一項強大的特性，能協助設計人員對電源供應器的傳導放射進行除錯，由於示波器是電力電子設計的標準量測儀器，透過運用它在開發初期評估 EMI，可以節省大量的時間與金錢，這也使得產品更有可能在無需因認證測試失敗而進行大幅度重新設計的情況下，順利達到 EMI 合規 要求。
