行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
單相電磁干擾濾波器設計方法之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-151-015-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電機工程系 計畫主持人： 吳坤德 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 94 年 7 月 25 日
國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告
學門領域：
電力工程計畫名稱：
單相電磁干擾濾波器設計方法之研究計畫編號：
NSC-93-2622-E-151-015-CC3執行期間：
93/05/1-94/04/30執行單位：
國立高雄應用科技大學電機工程系主 持 人：
吳坤德參與學生：
姓 名
年 級
(大學部、碩
士班、博士
班)
已發表論文或已申請之專利
(含大學部專題研究論文、碩
博士論文)
工作內容
簡宏誌 碩士班 實驗驗證 朱介正 大學部 實驗驗證 吳振揚 大學部 實驗驗證合作企業簡介
合作企業名稱：
城普股份有限公司計畫聯絡人：
蔡明展資本額：
1,000 萬元產品簡介：
電源濾波器、電感電話：
(08) 7210021一、研究摘要
電子產品因科技的進步而大量的應用於生活中，由電子設備所產生之電磁干擾也有 愈來愈嚴重之趨勢，再加上電子產品之密集度增加而使得彼此干擾之問題日漸嚴重，因 而解決電磁干擾也就變成產品設計過程之重要考量。電磁干擾因其複雜的產生原因與傳 導路徑，解決方式也就相當複雜不易，傳統上解決傳導性電磁干擾之方式一般均在市電 端加掛電磁干擾濾波器以阻隔由產品產生之電磁干擾。但因電磁干擾均發生於高頻頻 域，而電磁干擾濾波器之組成皆為被動元件，此類被動元件在高頻時阻抗將大幅變動而 造成濾波器效果不佳，而傳統上電磁干擾濾波器製造廠商面對此問題時，因缺乏相關知 識而無法有效解決，造成設計上之困難，因而本計畫將經由加強廠商之基礎知識並應用 重複性直交表搜尋法設計濾 EMI 濾波器以提高廠商競爭力。 二、人才培育成果說明 本研究進行中，合作企業派駐於本校育成中心人員積極參與實驗，於高頻電感之繞 製提供相當多之協助，對參與計劃之學生而言可增加許多實務上之經驗，對合作企業而 言可於發展電腦輔助設計技術時得以培養其人員之技術能力，提升研發能力，培育研發 人才，藉由計劃之進行培育電磁干擾濾波器之設計研發人才。 三、技術研發成果說明 隨著科技的日新月異，各式電子產品大量的被使用，而此類電子產品因其非線性特 性，造成產品於市電輸入端產生大量電磁干擾，此類電磁干擾將經由電力線傳導至鄰近 設備之電源輸入端，導致鄰近設備的誤動作或損壞，嚴重則造成生命財產之損失。因而 較先進國家對於產品 EMI 之產生量、測試方法、改善方式皆有嚴格的規定，其目的便是 希望能在產品出廠時便能解決 EMI 的問題。一般 EMI 依其傳導路徑可分為傳導性與輻 射性兩種，因其傳導之路徑不同而其解決之方法也相異，而目前一般針對傳導型 EMI 的解決方法大多是於輸入端加上 EMI 濾波器，藉由此加掛之濾波器以隔離由產品產生的 EMI 干擾，使得產品的 EMI 能符合銷售地區之相關規範。 EMI 濾波器之設計方法雖已有眾多文獻可供參考，唯因目前被動元件之製造技術無 法克服，造成被動元件之非理想特性，元件之非理想特性將大幅影響 EMI 被動元件之設 計數值，進而造成 EMI 濾波器效果大減，且 EMI 出現範圍屬於高頻之範圍，其產生之 原因與傳導路徑又因各型不同之設備而有差異，故雖然 EMI 濾波器發展已有一段時間， 但仍有需多相關廠商在發展設計 EMI 濾波器時仍會遇到許多問題，而傳統上在製造 EMI 濾波器之廠商面對此種問題時，由於缺乏紮實之基礎知識，因此其設計仍處於測、拆、 焊的繁複測試，耗費大量人力與時間，且無法有效累積經驗以應付下次設計之問題，造 成廠商在設計 EMI 濾波器時無法快速的完成，大幅降低競爭力。因此若要提昇傳統 EMI 濾波器製造廠商之競爭力，勢必要加強廠商之基礎能力，經由穩固的基礎知識背景來加 速廠商分析問題之時間，如此可快速的找到設計技巧與達到經驗之累積，完成高效能 EMI濾波器之設計，經由此基礎之加強來強化 EMI 濾波器製造廠商之競爭力，並協助培養廠 商自有之 R&D 人才。 由於電子、電機、通訊為與工作機等工業產品皆需使用到電力電子技術所發展之電 源供應器，而電力電子設備為目前主要電磁干擾源，而電磁干擾之頻率或大小會因電源 供應器之設計、擺設與配線與配合之設備不同而有不同之影響，因此 EMI 濾波器設計必 須因不同產品、不同機型而有所不同，如缺少電腦輔助之設計，將導致設計費時，效率 不彰。 目前世界各國對於 EMI 均訂定出相關法規，希望產品在銷售前能將 EMI 降低到可接 受的程度，因此在產品設計時若能先針對 EMI 作有系統的規劃防治，則在未來產品送檢 時將可大幅縮短修改所耗費的時間及金錢。本論文發展出利用雜訊分離技術的觀念，結 合電腦輔助設計模擬出可用之濾波器架構及參數值，最後再利用直交表能將參數效果分 離的特性，建立一套有規律性的電磁干擾濾波器設計的方法，以有效縮短設計 EMI 濾波 器所需的時間。 四、技術特點說明 本技術將利用電腦的計算能力來輔助我們設計濾波器，利用分析軟體來解決濾波器架 構的選用以及元件值的搭配問題，並輔以對元件特性的量測，將元件的各個雜散值帶入 軟體中試算，以了解雜散值對於濾波器的頻率遷移、頻寬乃至衰減量大小的影響，進而 完成濾波器的初步設計，如果模擬出來之濾波器架構與元件參數值無法滿足法規的需求 求則將模擬出來之參數值利用直交表能將參數效果分離的特點，建立合適的直交表，找 尋符合法規之濾波器參數組合，並且可以從符合法規的多組參數組合中選取最符合經濟 效益之最佳參數組合，其設計流程圖如圖 1 所示。 本技術以一台 1 KVA 的不斷電系統為例來設計電磁干擾濾波器，先將其原先裝設之 EMI 濾波器拆除，並重新設計。在此設計實例中採取的法規是 CISPR – 22(資訊技術裝 置)，並採取較為嚴格的 B 類規範做設計其法規規定如表 1 所示。
表 1 CISPR-22 之傳導型 EMI 規定(CLASS B)
4.1 雜訊量測
為加速實驗的進行，本論文所採取的測量方式，採取峰值(Peak)量測，於最後之結 果時才以準峰值(Quasi-Peak)與平均值(Average)量測，確認濾波器的效果，法規限制部 份以 CISPR – 22(資訊技術裝置)之 Class B 為限制值。
利用電腦輔助設計電磁干擾濾波器之步驟如下：
Frequency (MHz) Quasi-peak (dBµV) Average (dBµV ) 0.15 ~ 0.5 66~56 56~46
0.5 ~ 5.0 56 46
1. 量測雜訊：利用雜訊分析儀器量測待測物所產生之共模與差模雜訊。 2. 分析雜訊：利用量測所得之共模與差模雜訊進行雜訊頻率與振幅之分析。 3. 電腦輔助設計：利用電腦輔助分析軟體之 Filter Search 功能進行設計。 4. 利用直交表做參數分離，搜尋最佳之濾波器參數組合。 符合 目標函數 決定其它準位 準位差不變 準位差減半 準位差不變 最小準位 符合期望 之組合 往期望 目標前進 N Y Y Y Y N Y Y N N N N N 符合 限制條件1 電腦模擬分析 濾波器初始值 及設定變數範圍 選擇合適的直交表觀 測目標及目標期望值 變數所有準位 與前次相同 結束 開始 雜訊量測 及分析 重新安排 變數範圍 決定某一準位 並驗證 決定中心準 位並驗證 決定中心準 位並驗證 進行直交表實驗及 計算準位平均值 符合 限制條件n 決定中心準 位並驗證
將測試儀器與待測物連接後，將 UPS 加載至滿載，量測 UPS 所產生之 EMI 雜訊，並利用雜 訊分離器 EA-2000 將 UPS 之 EMI 雜訊分離成差模雜訊、共模雜訊如圖 2 所示。
（a） （b） （c） （d） 圖 2 UPS 之原始電磁雜訊分佈圖(a)火線 150KHz~30MHz (b) 中性線 150KHz~30MHz (c)差模雜訊(d) 共模雜訊 然後將臨界、及超越法規線之雜訊頻率、超越法規的大小值紀錄下來以提供模擬軟 體，作為設計濾波器之參考。 4.2 電腦輔助設計
本技術將使用英國 Westbay Technology Ltd.公司所發展的 WESTBAY COMPUFILT（Line Interference Analysis ＆ Filter Modelling）這套分析軟體來幫助我們解決濾波器架 構的選用以及元件值的搭配問題，並輔以對元件的量測，將元件的各個雜散值代入軟體 中試算，以了解雜散值對於濾波器的頻率遷移、頻寬乃至衰減量大小的影響，進而完成 濾波器的設計。 利用分析軟體中 filter search 的功能，可以將鐵芯以及被動元件之雜散值考慮在 內，找出適合的濾波器架構以及元件值，大大節省設計濾波器的時間。以下即針對 filter search 的輔助設計功能做說明: 進入 Filter Search 功能後依循電腦指示設定電路型態及輸入各參數，經以下之步 驟 (1)選擇濾波器的適用場所，(2)選擇濾波器的功能，(3)定義濾波器衰減量的形式，(4) 輸入欲衰減的頻率和衰減量大小，(5)設定電源阻抗及負載阻抗型式，(6)輸入元件值的 搜尋範圍及雜散值，(7)搜尋結果。 經最後搜尋完差模元件之後，則重複上述步驟並將搜尋模式改成共模，繼續搜尋共 模元件，在差模雜訊部分所得之元件值為 Cdm = 0.22uF。在共模雜訊的部分所得之元件值 為 : Lcm = 1mH、 Ccm = 2200pF。做完元件搜尋後目前我們所獲得的元件值，分別是 Lcm =1mH、
Ccm = 2200pF、Cdm = 0.22uF。模擬軟體建議採用無差模電感之單級 π 型架構，搜尋到的 元件值，已填入架構中，到此已經完成初步的濾波器設計了。 4.3 連續直交表 直交表[15-21]之特殊排列方法，具有將參數分離的效果，因此可藉由實驗結果來觀 察各單獨參數與響應之間的關係，進而找出最佳的參數組合，使響應符合期望值。由於 直交表可用最少的實驗次數，獲得最佳之實驗數據，並且能以最經濟的條件尋求適當之 目標值。 利用直交表做為實驗的方法可簡化電磁干擾濾波器分析的複雜性，且經由各參數平 均效應的計算，可得到各參數之間所造成的主要影響，以此來決定參數的『最佳組合』。 在設計可控制參數對系統功能的影響時，對於不可控參數均視為定值來考量，經由實驗 過程中搜尋，能在觀測期望值保持於合理的變動範圍內受不可控參數的影響最小的可控 參數組合。 建構直交表，首先決定出系統的可控參數及準位數，再依參數與準位數決定合適的 直交表，依其排列的順序進行實驗，最後由各參數在不同準位下的平均效應求出參數與 準位的變化平均值，與期望值比較後找出每個參數的最佳準位，將其組合後就是此系統 的『最佳組合』。 4.4 輸出觀測值 對不斷電系統之電磁干擾濾波器設計而言，EMI 雜訊必須符合法規之規範，故以連續 直交表設計電磁干擾濾波器時，必須將電路 EMI 雜訊大小列為觀測值，並求出其平均效 應，以作為搜尋指標。為評量電磁雜訊的之大小，將提供一物理量『雜訊頻寬積』來作 為觀測評量的基準，其物理意義為「超出法規的雜訊量與超出法規的頻寬兩者的乘積」， 簡單來說就是在頻譜分佈下，超出法規的雜訊總面積。 由於傳導型電磁干擾雜訊之頻寬為 150KHz~30MHz，而總雜訊的圖形是以半對數表的 方式呈現，而不斷電系統之 EMI 雜訊常在低頻段出現大幅超越法規線的現象，若以 MHz 為單位做積分，在 150K~1MHz 間所積分出來的數值將非常小，並不易判斷出濾波效果之 優劣，所以本論文將輸出觀測值分為 150KHz~1MHz、1MHz~10MHz 及 10MHz~30MHz 三個頻 段來分別計算，以 E1 、E2 、E3代表三個頻段之『雜訊頻寬積』物理量來作為評量電磁雜 訊大小的觀測基準。 本技術於計算『雜訊頻寬積』時，150KHz~1MHz 頻段（E1）以 KHz 為單位來進行積分， 1MHz~10MHz( E2)及 10MHz~30MHz(E3)都是以 MHz 為單位做積分，將雜訊頻寬積觀測值分為 三個頻段可避免造成誤差，方便判斷濾波器波波效果的優劣，同時也有助於最佳組合之 參數選擇。如 Vnoise為雜訊值大小，Vlimit為 EMI 之法規限制值。其「雜訊頻寬積」大小之
計算方式如式 1 所示。
(
)
(
)
(
)
noise it noise it MHz MHz noise it it noise it noise MHz MHz noise it it noise it noise MHz KHz noise it V V for V V for df V V E V V for V V for df V V E V V for V V for df V V E lim lim 30 10 lim lim lim 10 1 lim lim lim 1 150 lim 0 3 0 2 0 1 < = > − = < = > − = < = > − = ∫ ∫ ∫ （1）由於頻率軸為對數軸的關係，造成愈靠近高頻段，其計算誤差愈大，為避免造成誤 差過大，造成判斷上的困擾，故每完成直交表內的任一組合後，即可依照上面所述求得 電磁雜訊之『雜訊頻寬積』，繼而求出各準位的觀測平均值，並根據目標期望值來判斷最 佳準位，作為電磁干擾濾波器各參數值之搜尋指標，以 EMI 濾波器設計而言，目標期望 值雜訊頻寬積 E 應為零，亦即所有的雜訊值均低於法規限制值，而為求客觀起見在計算 雜訊頻寬積時，應針對火線及中性線分別量測及計算，再取其平均值做為判斷的依據。 五、可利用之產業及可開發之產品 EMI 濾波器之設計方法雖已有眾多文獻可供參考，唯因目前被動元件之製造技術無法 克服，造成被動元件之非理想特性；元件之非理想特性將大幅影響 EMI 濾波器被動元件 之設計值，進而造成 EMI 濾波器效果大減。利用直交表做為實驗的方法可簡化電磁干擾 濾波器分析的複雜性，且經由各參數平均效應的計算，可得到各參數之間所造成的主要 影響，以此來決定參數的『最佳組合』。在設計可控制參數對系統功能的影響時，對於不 可控參數均視為定值來考量，經由實驗過程中搜尋，能在觀測期望值保持於合理的變動 範圍內受不可控參數的影響最小的可控參數組合，並且可利用電腦強大的運算功能來取 代傳統的重複測試，減少設計濾波器所需之時間。 舉凡電腦、通訊與消費性電子等各式各樣之三 C 整合系統設備於銷售之前皆需通過 EMC 電磁相容之認證，本研究所提供之方法可以有效降低電磁干擾濾波器之設計時間， 對於電子製造業而言可有效縮短商品上市的時程，掌握商機。 EMC 問題如同環境污染保護一樣，將隨著科技愈文明、產品愈先進而愈更加被重視。故 先進國家相繼立法規範，且正像滾雪球般的向世界各國擴散出去。由於是否通過法規認 證的影響，可決定廠商產品在市場的生存價值，而且，愈來愈多國家也制定及推行類似 CE 標示要求，如澳洲、紐西蘭和中國大陸，也於 1999 年強制實施 CE 標示要求。因此， 取得標示效應將逐步擴大其影響力，對於以出口導向為主要經濟型態的台灣而言，產品 的品質與標準要求是必須注重的求生之道，國內業者不可忽視其衝擊，應加緊準備對應 之策，以爭取市場上更多商機。未來 EMC 的防治工作將隨著安全、健康、環境的被重視， 而被列為產品設計上的重要一環。 六、推廣及運用的價值 傳統的濾波器設計中使用轉折頻率計算方式，皆將元件理想化並未將濾波元件非理 想特性一併列入考慮，且此方法計算過程繁雜，耗費時間甚鉅，設計出之元件值往往與 實際值出入甚大，使設計流於測、拆、焊的繁複步驟，浪費大量的時間與人力，本研究 所提出的電腦輔助方法，經由實測驗證發現，此電腦輔助設計方法於共模雜訊部份已能 有效抑制，於差模雜訊部份只要略加修正即能符合實際需求，可見此方法可有效應用於 電磁干擾濾波器設計上，以節省時間與金錢。
