幅射性干扰测试

幅射性干扰测试场地通常是指OATS，测试的频率由30MHz至1GHz，而且整个测试场地的垂直与水平方向衰减量，必须在其标准场地衰减量（NSA）的±4dB以内。图3为一座OATS配置图，场地面积应大于中椭圆区域面积，且在此区域中不可有反射物，整个地势要平坦。天线与待测物两者相距D，在其间须铺设金属接地板，其面积必须延伸至天线与待测物的周围外1m以上，据此所需金属接地板最小面积如图3中灰色区域所示。 
图3　OATS配置图
OATS大都兴建于大烟稀少的山谷中，以降低外部电磁噪声干扰，使之获得较佳的背景噪声，图4为C&C Lab位于林口地区OATS测试场地。进行测试时，旋转台上放置80cm高的非导电材质桌子，将待测物置于其上，然后旋转待测物并使天线同时在1m~4m间变化其高度，测量待测物的水平及垂直方向的幅射性干扰值。 
图4　OATS测试场地
若OATS标准环境特性的场合不易获得，则可以于anechoic chamber中测试，亦可得到正确的结果。Anechoic chamber为贴满铁磁性瓷砖的遮蔽铁屋，对外面电磁噪声可衰减100dB以上，并在内部贴上吸波器（absorber），以防四周墙壁反射电磁波。若chamber地面无放置吸波器则称为semi-anechoic chamber。

anechoic chamber内部设备摆设与OATS相同，anechoic chamber依其内部几何长度又区分为966及733 chamber，其中966及733内部之长宽高，单位为公尺。将待测物置于旋转台上80cm高的非导电材质桌子，此时由待测物放射至天线的电磁波特性与OATS相似，只要使用发射源发射电波进行chamber与OATS的各频带之比较测试，以获得各频率的修正系数，亦称为偏移量，即可使用chamber仿真OATS的测试环境，图5为anechoic chamber的幅射性干扰测试情形。
图5　在anechoic chamber进行的幅射性干扰测试
传导性耐受度测试
对所有电源供应器电源线的联接方式，大都推荐使用CDN来进行传导性耐受度测试，除了对一些输入电流大于16A或其它复杂系统才会采用注入法〔6〕。如图6所示，使用CDN来进行切换电源供应器传导性耐受度测试场地，其中将CDN、待测物及其负载置于金属接地平面上，此金属接地平面的面积必须含盖CND、待测物及其负载，且延伸至其周围为0.2m以上。
图6　传导性耐受度测试场地
在金属板上放置10cm高之绝缘平台，再将待测物及其负载放置于平台，值得注意的是，CDN与待测物之距离需在0.1m~0.3m之间，接线应在接地平面上3cm~5cm之间。电源经由CDN供给待测物，且由RF测试信号产生器输出上述规定调变信号至CDN，以供给待测物干扰电压，仿真实际传导性电磁干扰现象。

RF测试信号产生器输出信号频率的扫描率须小于1.5x10-3decade/s或采用人工操作，在传导性耐受度测试期间，使用电压表观测其输出电压或power good信号之变化，再依据其测试结果并参考前述性能指针评估准则，给待测物评定适当等级。
幅射性耐受度测试
切换电源供应器的幅射性耐受度测试须在733 anechoic chamber中进行，如图5所示，其中天线与待测物距离3m。将待测物负载放置于80cm高的非导电材质桌子，且平贴均匀场强平面。利用chamber外部的RF信号产生器，经由电缆接至天线，再依据法规规定的频率及调变场强，发射电磁波至待测物。扫描频率的变化率及测试结果评估方法，同传导性耐受度测试。

比较测试及校验

传导性及幅射性比较测试
基本上在测试场地不做任何变动，以及测试仪器均规定进行校验之前题下，每次进行传导性及幅射性测试时，所得的场地背景之电磁干扰噪声特性差异不大。为避免因测试场地外在因素变动而影响测量值，并确保测试结果的正确性，在进行传导性及幅射性测试前，可用一黄金样品（golden sample）及参考发射源，分别对传导性及幅射性场地进行比较测试，借着比较每次测试的结果，以初步了解测试仪器及场地的正确性再进行测试。若比较测试发现测试结果有所不同，则应先对仪器及场地进行除错，待故障排除及比较测试结果正确时再进行试验。

比较测试与标准校验两种做法基本上是相相的，不同的是校验必须经过合法认证的机构执行，其结果具有公信力。相对地，比较测试仅为一般机构为了降低研发流程与成本，依据规范建立测试的场地与设备。在同一工作条件下，比较内部与合法认证测试结果的差异性，并据以修正内部测试条件，以使测试结果近似于合法认证测试结果，以期在初产样品送往合法认证机构测试，能顺利通过测试取得证书。基于此观点，本文仅说明一般比较测试的校验方法，但可依此建立各种测试的标准作业流程及相关文件，用以申请CNLA合格认证实验室。

传导性耐受度测试校验

在进行传导性耐受度测试之前，应先校验RF产生器射入CDN的干扰电压值是否合乎标准，其校验方法为将CDN的电源输入端（AE）接上150Ω终端器为负载；待测物（EUT）端接150Ω转50Ω之转接器，连接内阻为50Ω的电表。由RF产生器产依法规所定的频率间隔，于各频率下产生如表2所规定的电压准位V0，但不加入调变弦波信号，使得电压表的读值须满足下式：才合乎标准，其中Vmeas为测量值，此时亦必须记录下满足式（1）的RF产生器之控制参数，并据以做为传导性耐受度测试时控制参数定值。为了能准确及自动调整所需电压位准，可将观测的电压信号Vmeas经由A/ D转换为数字信号输入控制计算机，由控制计算机自动调整RF产生器之控制参数以满足要求。

幅射性耐受度测试校验

幅射性耐受度测试时，必须于待测物面产生均匀场强，以获得正确测试结果，所以在耐受度测试时，需先校验均匀面之场强。所谓均匀面系指在待测物放置处，距参考地平面0.8m高之1.5mx1.5m的平面，如图7所示，并进一步细分为0.5mx0.5m的最小均匀场强面积，如图7所示。
图7 幅射性耐受度测试校验
用全向性接收器（isotropic field probe）置于图7中所示的16点上量测场强，测试结果至少12点场强测量值需在规定场强的0Db~+6dB以内才视为合格。校验时，RF产生器依表2所规定的电场准位发射场强，但不需要正弦波调变，再将产生上述均匀场强的控制参数记录做为幅射性耐受度测试使用。

Semi-anechoic chamber校正系数
当Semi-anechoic chamber兴建完成后，接着就是要求得chamber之chamber factor。Chamber factor是由chamber与OATS进行30MHz~200MHz附近的比较测试而求得〔10,11〕，其方法利用一参考发射器做为电场转换标准（field strength transfer standard），应用体积法（vooume method）〔5〕分别在OATS及chamber的转台位置取五点，在两个不同规定的高度位置放置发射器，由天线分别测量其垂直及水平极性方向的电场。

参考发射器的天线型式有双极及环状天线，两种天线均要做测试，参考发射器天线摆设的极性方向应与接收天线平行。每做一次固定天线极性方向比较的测试，就会产一组对应于各频率校正系数，将这几组校正系数绘制于同一图表，可由图表中发现各组校正系数随着频率变化而散布在一特定范围，这个范围最上面的包络线称为最差情况的chamber factor，而包络线的平均值则称平均chamber factor。将chamber factor加入所测得到等效OATS之测量值，若并不是所有体积法中所规定位置的天线极性方向均被测量，则依上法所求得数据称为校正系数。

基于实务上的考量，此733 semi-anechoic chamber若要采用体积法求得chamber factor有下列困难：
˙切换式电源供应器在OATS进行幅射性测量，是将其放置于80cm高转台桌上测试，其体积远小于体积法所含盖的体积。
˙设备供货商无法提供天线因子（antenna factor）、cable loss及参考发射源天线因子，虽然可自行校验求得，但是花费成本太高。
˙此semi-anechoic chamber不是以成为认证chamber为目的，仅是提供切换式电源供应器设计过程必要的预先测试场地。 ˙依据CISPR16〔9〕对anechoic chamber的要求，其幅射值的均匀性比使用volume method求标准场地衰减值更来的重要。因此，将采用另一个比较简易测量方法，用以求出此chamber与OATS之校正系数。
这个简易方法如下：
*对733 semi-anechoic chamber之均匀性评估，则选定参考发射源的放置位置为旋转台桌中心、前方及左方中间桌缘，各别进行频谱测量，此一位置为EN55022及FCC part 15所规定待测物放置位置。当旋转台桌旋转时，所含盖的范围为待测物幅射干扰放射的最大区域，比较这三个位置的频谱是否在±2dBμV/m内〔9〕，以评估chamber之均匀性。
 *因为切换式电源供应器于电路布局设计时，以考虑避免形成环形电流回路，因而所产生环形极性方向幅射干扰较少，因此在进行比较测试时，仅采用半波双极（half-wave dipole）天线之参考发射源来执行场强转移标准，可缩短比较测试时间及降低费用。
*将天线因子、cable losses及场地的transmit losses均包含于校正系数中，仅比较chamber与OATS之频谱分析仪之测量值，即：
CF(f)=MOATS(f)-Mchamber(f)
其中CF、MOATS及Mchmber分别表是校正系数、OATS与chamber之频谱分析仪之测量值，f为频率。Chamber与OATS比较测试的参考发射源，是使用EMCO 4630 Refrad，为确保测试品质，先将Refrad充饱电再进行发射电场实验，一直到Refrad自动断电停止工作为止，其中频率选用的间格为5MHz。
在这段期间，每15分钟使用频谱分析仪测量所选定频率的电场值，频率为由30MHz~300MHz，每30MHz为一个间隔，其结果如图8所示，每个频率的测量值误差均在4dBμV/m范围内，由实验结果显示Refrad于正常工作期间，其发射的电场品质稳定。 
图8　Refrad发射电波至自动断电为止，所选定频率之场强偏移量分布图
接着使用Refrad做为电场转移标准，进行C&C Lab的OATS与chamber比较测试，比较30MHz~1GHz的幅射衰减特性，经过多次测试后，依据式（2）将所得的测试数据平均即获得校系数CF，并据设定频谱分析仪的偏差量。经过比较测试后，chamber与10m OATS对同一Refrad所测得场强幅射衰减值，其中有将chamber的校正系数CF调高1.5dBμV/m，以确保切换式电源供应器在chamber内通过测试，必能通过OATS之测试。
结论
切换电源供应器要取得国际认证，除了要通过上述电磁兼容测试，还要通过EN61000-4-2 ESD、EN61000-4-4 electrical fast transient immunity test及EN61000-4-5 electrical slow transient（surge）immunity test等测试，这些测试的方法及知识，为一般切换式电源供应器设计工程师所欠缺的。
虽然本文仅着重于电磁兼容相关测试方法的介绍并以实例说明，但可延伸获得相关知识，正确的电磁兼容测试可缩短产品研发流程，若切换电源供应器测试失败时，工程师亦可由测试结果并结合电磁兼容知识，而采取的除错技术将更为有效。
参考资料
【1】M. Joshi and V. Agarwal, "Component placement for improved EMI performance in power electrnics circuits, IEEE EMC Symposium, pp. 911-917,1998. 
【2】L. B. Gravelle and P. F. Wilson, "EMI/EMC in printed circuit boards-a literature review," IEEE Trans. Electrmagnetic Compatibility. Vol. 34, no. 2, pp. 109-116, 1992. 
【3】T. Guo, Y. Chen and F. C. Lee, "Separation of the common mode and differential mode conducted EMI noise," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 11, no. 3, pp. 480-488. 
【4】J. B. Wang, "Thermal design evaluation for an adapter via equivalent circuit method," R. O. C. Symposium on Elecrtical Power Engineering, pp. 770-774,2000. 
【5】BS EN55022, Information technology equipment-radio disturbance characteristic-limit and methods of measurement, 1998.  [!--empirenews.page--]
【6】BS EN61000-4-6, Electromagnetic compatibility, part 4, Testing and measurement techniques, section 6. Immunity to conducted disturbance, induced by radio-frequency, 1996. 
【7】BS EN61000-4-3, Electromagnetic compatibility, part 4,Testing and measurement techniques, section 3. Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test, 1997. 
【8】David a Williams, "A tutorial on EMI #At utorial on BMI switching regulator," IEEE 11th APEC, pp. 333-339,1996. 
【9】IEC,CISPR 16-1,1993. 
【10】EMCO Model 4630Refrad Operation manual, 1992. 
【11】EMCO Calstan/W PN399215,1996.