TWI805160B - 使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法 - Google Patents
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Abstract
一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，係對電源供應器所產生的電磁干擾使用田口方法(又稱強健參數設計法)做設計優化，其目的是找出能降低傳導性電磁干擾的最佳組合。因此本發明對此問題做一個有規則性的測試及分析，來減少工程師開發的時間，並且能快速的找到一組最佳化的參數來降低電磁傳導干擾問題。本發明使用田口方法針對在各種電源供應器模組，對電源所產生的電磁傳導干擾問題，選出控制因子、信號因子及干擾因子，進行正交實驗以獲得信噪比，透過均值分析最後得到最佳具強健性的控制因子組合，將新的控制因子組合重新驗證後，與原設計相比，得到更低的電磁干擾。
Description
本發明係有關於一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，尤指涉及一種對電源供應器所產生的電磁干擾使用田口方法(Taguchi Methods)，又稱強健參數設計法(robust parameter design method)做設計優化，特別係指通過一個有規則性的測試及分析，來減少工程師開發的時間，並且能快速的找到一組最佳化的組合參數來降低傳導性電磁干擾(Electro-Magnetic Interference,EMI)問題者。
現今的電子產品所需要的電源都以小型化、高性能、高密度、及高信賴度為目標在做設計，使得電路元件及電路的體積大幅縮小，電路亦相對變得精巧，但也相對增加干擾的機會，其中以電磁干擾及雜訊最令人感到困擾。
另一方面，在使用電源的同時，周邊的電子設備怕受互相干擾而產生異常或誤判，造成供電異常；而一般人也怕長期受到電磁干擾而造成對自己身體的危害。因此，許多先進國家也相對越來越重視電磁干擾問題。在世界各國中多數國家如歐、美、日、及中國等，不論傳導或輻射都已經有明確定義電磁干擾的限度，歐盟早在西元1996年元旦起強制實施電磁相容性(Electro-Magnetic Compatibility,EMC)檢驗標準。然而工程師在解決電磁干擾問題時，沒有一定的流程，在理不出頭緒的情況下，常採用加大EMI濾波器元件的電感或電容，不僅造成成本的增加，機構空間也會增大，導致設計出的產品沒有競爭力；對此干擾問題，有很多影響因素，大多以試誤法或經驗法則的方式
進行改善，不但研發時間長，而且往往得到的結果不具強健性。
面對有關電源供應器設計開發產業或相關周邊的應用電源設備上，皆會遇到有電磁干擾問題，目前的習知解決方式皆為試誤法，其結果於產品量產後可能會有超出規格或批量數據表現不穩定，具有開發時間長，成本高且系統較不具強健性之缺點。職是之故，鑑於在原習知解決電磁傳導或輻射干擾問題時，尚查無使用田口法應用於各種電源供應器上做分析的專利與國內文獻，因此發展一套可解決電源供應器之電磁干擾問題與前案技術缺點之發明實有必要。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種對電源供應器所產生的電磁干擾使用田口方法(又稱強健參數設計法)做設計優化，其目的是通過一個有規則性的測試及分析，來減少工程師開發的時間，並且能快速的找到一組最佳化的組合參數來降低傳導性電磁干擾問題之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法。
本發明之另一目的係在於，提供一種能讓從事電源相關的設計者對電磁傳導干擾問題，透過有效的田口方法(即強健參數設計法)，快速設計出新組合來達到降低電磁干擾效果，因此具有可節省分析時間，縮短產品開發週期，同時降低產品設計成本的功效，使量產後的數值表現會較穩定集中之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法。
為達以上之目的，本發明係一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其至少包含下列步驟：列出影響品質特性的因子步驟：選定並列出影響電磁干擾之品質因子，將其分類為信號因子(Signal Factors)、干擾因子(Noise Factors)及四個控制因子(Control Factors)三類，其中該干擾因子係
不能控制，該信號因子及該控制因子係可被微調；決定各種因子及變動水準步驟：決定每個因子變動的水準(level)及定訂每個因子的水準數，其中，該信號因子包含兩個水準，分別為開機初始(S1)及開機10分鐘後(S2)；該干擾因子包含兩個水準，分別為系統連接地(N1)及系統不連接地(N2)；該四個控制因子分別為濾波器(Filter)、變壓器(Transformer)、場效電晶體(MOSFET)及電容迴路(YCAP Layout)，每個控制因子包含四個水準，其中該濾波器的四個水準分別為環型T18-10-8C(F1)、UU10.5四槽型(F2)、UU10.5二槽型(F3)及UT20四槽型(F4)；該變壓器(共四個繞組線圈N1,N2,N3及N4)的四個水準分別為(N2,N3)及(N3,N4)間均有屏蔽層(T1)、僅(N2,N3)間有屏蔽層(T2)、僅(N3,N4)間有屏蔽層(T3)及完全沒有屏蔽層(T4)；該場效電晶體的四個水準分別為JCS04N65(M1)、JCS04N65並聯68pF(M2)、TK8A60W(M3)及TK10A60D(M4)；該電容迴路的四個水準分別為A點接a點且b點接C點(C1)、B點接a點且b點接C點(C2)、A點接a點且b點接D點(C3)、及B點接a點且b點接B點(C4)；實驗直交表選用步驟：依據該決定各種因子及變動水準步驟中每個因子的數量與水準建立直交表，選用L16(45)直交表；實驗數據與S/N比計算步驟：使用該L16(45)直交表進行分析，表中最後一個控制因子忽略，將取得16次的實驗數據，利用田口之信噪比(signal-noise ratios,SNR或S/N)，經計算取得S/N比值，並決定S/N望大品質特性；因子反應分析步驟：將該S/N望大品質特性放入因子反應分析表並依水準區分，再經由水準分類取平均值，重新取得新的S/N比的因子反應分析表；設計最佳化步驟：從該新的S/N比的因子反應分析表中依序選擇該濾波器、該電容迴路及該變壓器三類控制因子來最大化S/N，通過取其最大值以得到新的最佳化組合；以及執行確認實驗步驟：將該新的最佳化組合重新進行電磁干擾的實驗比較後，與原設計相比，得到更低的電磁干擾，確認該新的最佳化組合為最佳具強健性的控制因子組合。
於本發明上述實施例中，該實驗數據與S/N比計算步驟係使用該L16(45)直交表進行S/N分析，該L16(45)直交表中數字為平均值(Average,AV)傳導性干擾量測數值(dB)與S/N比計算，且該S/N計算使用望大品質特性，其公式為：S/N=-10×log(Σ(1/yi2)/n)，其中n為實驗次數；及yi為品質特性，即量測的實驗數值。
於本發明上述實施例中，所提方法係適用於降低傳導電磁干擾與輻射電磁干擾。
於本發明上述實施例中，該當進行該傳導電磁干擾的分析時，該電源供應器搭配交流(AC)電源、電源阻抗穩定網路設備、暫態限制器、EMC分析儀及該電源供應器之負載。
於本發明上述實施例中，該當進行該輻射電磁干擾的分析時，該電源供應器搭配AC電源、電源阻抗穩定網路設備、EMC或頻譜分析儀、近場探頭、前置放大器、3米/10米天線、非導電三角架及該電源供應器之負載。
s11~s17:步驟
第1圖，係本發明使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善流程示意圖。
第2圖，係本發明例舉與傳導干擾有關之電路系統示意圖。
請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善流程示意圖、以及本發明例舉與傳導干擾有關之電路系統示意圖。如圖所示：本發明係一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾
電源供應器之電磁干擾改善流程示意圖、以及本發明例舉與傳導干擾有關之電路系統示意圖。如圖所示：本發明係一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其至少包含下列步驟：
列出影響品質特性的因子步驟s11：選定並列出影響電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)之品質因子，將其分類為信號因子(Signal Factors)、干擾因子(Noise Factors)及四個控制因子(Control Factors)三類，其中該干擾因子係不能控制，該信號因子及該控制因子係可被微調，且該四個控制因子分別為濾波器(Filter)、變壓器(Transformer)、場效電晶體(MOSFET)及電容迴路(CAP Layout)。
決定各種因子及變動水準步驟s12：決定每個因子變動的水準(level)及定訂每個因子的水準數。
實驗直交表選用步驟s13：依據該決定各種因子及變動水準步驟中每個因子的數量與水準建立直交表。
實驗數據與S/N比計算步驟s14：使用該直交表進行分析，表中最後一個控制因子忽略，將取得的實驗數據，利用田口之信噪比(signal-noise ratios,SNR或S/N)，經計算取得S/N比值，並決定S/N望大品質特性。
因子反應分析步驟s15：將該S/N望大品質特性放入因子反應分析表並依水準區分，再經由水準分類取平均值，重新取得新的S/N比的因子反應分析表。
設計最佳化步驟s16：從該新的S/N比的因子反應分析表中依序選擇該濾波器、該電容迴路及該變壓器三類控制因子來最大化S/N，通過取其最大值以得到新的最佳化組合。
執行確認實驗步驟s17：將該新的最佳化組合重新進行電磁干擾的實驗比較後，與原設計相比，得到更低的電磁干擾，確認該新的最佳化組合為最佳具強健性的控制因子組合。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之使用田口法於
電源供應器之電磁干擾改善方法。
當運用時，本發明所測試的方式是用系統(含主機、螢幕、鍵盤、滑鼠及印表機)連接待測物(即電源供應器)所測得的數據，在更換零件上，也是使用同一台電源供應器來進行更換測試。本發明依法規CISPR/EN規定的傳導發射的限度值有兩條限制線，分別為準峰值(Quasi-Peak,QP)的限制線，另一條為平均值(Average,AV)的限制線，傳導測試最終的目地，就是測試的機台可以完全的低於其限制線，為做研究分析改善之有效性比較，本發明採用平均值做為探討及分析頻段在200kHz~300kHz間產生最差之訊號值做比較分析。
本發明主要利用田口方法，故本發明傳導性電磁實驗量測數值之品質特性為望大特性(亦即希望得到餘裕度(Margin)值越大越好；Margin值定義是量測值減去法規線限制值)。本發明以第2圖的返馳式轉換器(Flyback Converter)電源電路為例。
本發明使用田口方法運用在各種電源供應器模組，對電源所產生的電磁傳導干擾問題，選出信號因子、控制因子及干擾因子以進行正交實驗以獲得信噪比，透過均值分析(analysis of means,ANOM)最後得到最佳具強健性的控制因子組合。
所述信號因子為一個系統使用者可以自行決定的因子，在此列出下列兩項水準(S1與S2)做分析，包含S1為開機初始，S2為開機10分鐘後。
所述控制因子為一個可被控制的設計參數，本發明選用四個控制因子，包括濾波器1、變壓器2、場效電晶體3及電容迴路4。每個控制因子包含四個水準，故田口直交表則採用L16(45)直交表執行16次實驗以進行分析，表中最後一個控制因子忽略。其中該濾波器1的四個水準分別為環型T18-10-8C(F1)、UU10.5四槽型(F2，原始設計)、UU10.5二槽型(F3)及UT20四槽型(F4)。該變壓器2(型號EE-22，共四個繞組線圈N1,N2,N3及N4)的四個水準
分別為(N2,N3)及(N3,N4)間均有屏蔽層(T1，原始設計)、僅(N2,N3)間有屏蔽層(T2)、僅(N3,N4)間有屏蔽層(T3)及完全沒有屏蔽層(T4)。該場效電晶體3的四個水準分別為JCS04N65(M1，原始設計)、JCS04N65並聯68pF(M2)、TK8A60W(M3)及TK10A60D(M4)。如第2圖所示，該電容迴路4的四個水準分別為A點接a點且b點接C點(C1，原始設計)、B點接a點且b點接C點(C2)、A點接a點且b點接D點(C3)、及B點接a點且b點接B點(C4)。
本發明將所述干擾因子的變動範圍考慮使用者通常可能將系統的地與交換式電源供應器的地連接，或將系統的地與電源供應器的地做隔離，因此本發明選用兩個水準，分別為系統連接地(N1)及系統不連接地(N2)。
本發明利用田口法調整設計變因時，必須經過一些步驟及流程，首先進行問題描述，定義系統目標/範圍，接著是品質特性及理想機能之確定，再參考第1圖所示之流程，方可將這些變因作最佳的配置。
以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制本發明之申請專利範圍。
於一實驗實施例中，若使用本方法進行傳導電磁干擾的分析時，待測物(即電源供應器)搭配交流(AC)電源、電源阻抗穩定網路設備、暫態限制器、電磁相容性(Electromagnetic compatibility,EMC)分析儀及待測物之負載。
於一實驗實施例中，若使用本方法進行輻射電磁干擾的分析時，待測物(即電源供應器)搭配AC電源、電源阻抗穩定網路設備、EMC或頻譜分析儀、近場探頭、前置放大器、3米/10米天線、非導電三角架及待測物之負載。
表一為使用L16(45)直交表進行S/N分析，其中原直交表中最後一個控制因子忽略。表中數字為AV傳導性干擾量測數值(dB)(數值意義代表餘裕
度故使用正號表示)與S/N比計算。S/N計算使用望大特性，其公式為：S/N=-10×log(Σ(1/yi2)/n)；其中n為實驗次數；及yi為品質特性，即量測的實驗數值。例如表中實驗1計算式如下：S/N=-10×log((1/(7.862)+1/(18.262)+1/(3.542)+1/(19.362))/(4))=15.95。
表二為控制因子反應分析S/N比結果，由表二得知濾波器、變壓器、場效電晶體及電容迴路為了降低傳導電磁干擾，需要分別選擇水準3、2、2及2的設計。表三為比較原設計及新設計的控制元件及AV傳導性干擾量測數值，AV值越低，表示干擾與受干擾的程度較小，由此比較原設計及新設計的差異與干擾改善情形。
本發明係對電源供應器所產生的電磁干擾使用田口方法(Taguchi Methods)，又稱強健參數設計法(robust parameter design method)做設計優化，其目的是找出能降低傳導性電磁干擾的最佳組合。因此本發明對此問題做一個有規則性的測試及分析，來減少工程師開發的時間，並且能快速的找到一組最佳化的參數來降低電磁傳導干擾問題。本發明使用田口方法針對在各種電源供
應器模組，對電源所產生的電磁傳導干擾問題，選出控制因子、信號因子及干擾因子，進行正交實驗以獲得信噪比，透過均值分析最後得到最佳具強健性的控制因子組合，將新的控制因子組合重新驗證後，與原設計相比，得到更低的電磁干擾。
綜上所述，本發明係一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，可有效改善習用之種種缺點，能讓從事電源相關的設計者對電磁傳導干擾問題，透過有效的田口方法(即強健參數設計法)，快速設計出新組合來達到降低電磁干擾效果，因此具有可節省分析時間，縮短產品開發週期，同時降低產品設計成本的功效，使量產後的數值表現會較穩定集中，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
s11~s17:步驟
Claims (5)
- 一種使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其至少包含下列步驟：列出影響品質特性的因子步驟：選定並列出影響電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)之品質因子，將其分類為信號因子(Signal Factors)、干擾因子(Noise Factors)及四個控制因子(Control Factors)三類，其中該干擾因子係不能控制，該信號因子及該控制因子係可被微調；決定各種因子及變動水準步驟：決定每個因子變動的水準(level)及定訂每個因子的水準數，其中，該信號因子包含兩個水準，分別為開機初始(S1)及開機10分鐘後(S2)；該干擾因子包含兩個水準，分別為系統連接地(N1)及系統不連接地(N2)；該四個控制因子分別為濾波器(Filter)、變壓器(Transformer)、場效電晶體(MOSFET)及電容迴路(CAP Layout)，每個控制因子包含四個水準，其中該濾波器的四個水準分別為環型T18-10-8C(F1)、UU10.5四槽型(F2)、UU10.5二槽型(F3)及UT20四槽型(F4)；該變壓器(共四個繞組線圈N1,N2,N3及N4)的四個水準分別為(N2,N3)及(N3,N4)間均有屏蔽層(T1)、僅(N2,N3)間有屏蔽層(T2)、僅(N3,N4)間有屏蔽層(T3)及完全沒有屏蔽層(T4)；該場效電晶體的四個水準分別為JCS04N65(M1)、JCS04N65並聯68pF(M2)、TK8A60W(M3)及TK10A60D(M4)；該電容迴路的四個水準分別為A點接a點且b點接C點(C1)、B點接a點且b點接C點(C2)、A點接a點且b點接D點(C3)、及B點接a點且b點接B點(C4)；實驗直交表選用步驟：依據該決定各種因子及變動水準步驟中每個因子的數量與水準建立直交表，選用L16(45)直交表； 實驗數據與S/N比計算步驟：使用該L16(45)直交表進行分析，表中最後一個控制因子忽略，將取得16次的實驗數據，利用田口之信噪比(signal-noise ratios,SNR或S/N)，經計算取得S/N比值，並決定S/N望大品質特性；因子反應分析步驟：將該S/N望大品質特性放入因子反應分析表並依水準區分，再經由水準分類取平均值，重新取得新的S/N比的因子反應分析表；設計最佳化步驟：從該新的S/N比的因子反應分析表中依序選擇該濾波器、該電容迴路及該變壓器三類控制因子來最大化S/N，通過取其最大值以得到新的最佳化組合；以及執行確認實驗步驟：將該新的最佳化組合重新進行電磁干擾的實驗比較後，與原設計相比，得到更低的電磁干擾，確認該新的最佳化組合為最佳具強健性的控制因子組合。
- 依申請專利範圍第1項所述之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其中，該實驗數據與S/N比計算步驟係使用該L16(45)直交表進行S/N分析，該L16(45)直交表中數字為平均值(Average,AV)傳導性干擾量測數值(dB)與S/N比計算，且該S/N計算使用望大品質特性，其公式為：S/N=-10×log(Σ(1/yi2)/n)，其中n為實驗次數；及yi為品質特性，即量測的實驗數值。
- 依申請專利範圍第1項所述之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，係適用於降低傳導電磁干擾與輻射電磁干擾。
- 依申請專利範圍第3項所述之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其中，當進行該傳導電磁干擾的分析時，該電源供應器搭配交流(AC)電源、電源阻抗穩定網路設備、暫態限制器、電磁相容性(Electromagnetic compatibility,EMC)分析儀及該電源供應器之負載。
- 依申請專利範圍第3項所述之使用田口法於電源供應器之電磁干擾改善方法，其中，當進行該輻射電磁干擾及該傳導電磁干擾的分析時，該電源供應器搭配AC電源、電源阻抗穩定網路設備、EMC或頻譜分析儀、近場探頭、前置放大器、3米/10米天線、非導電三角架及該電源供應器之負載。
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| TWI805160B true TWI805160B (zh) | 2023-06-11 |
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ID=87803479
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| TW202022708A (zh) * | 2018-12-04 | 2020-06-16 | 中原大學 | 田口法與人工神經網路進行微電網靜態開關之故障偵測、 分類與定位之方法 |
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Patent Citations (3)
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| TW202133539A (zh) * | 2020-02-21 | 2021-09-01 | 龍華科技大學 | 一種電源轉換器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 專書 陳庠霖, 應用田口參數設計於交換式電源供應器產品電磁干擾之改善, 無, 國立臺北科技大學, 2016年 * |
| 專書 陳庠霖, 應用田口參數設計於交換式電源供應器產品電磁干擾之改善, 無, 國立臺北科技大學, 2016年。 |
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| TW202327236A (zh) | 2023-07-01 |
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