Last update : Oct 15, 2001
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消除 Switching Power Supply 所造成的射頻干擾


曾經使用 Switching Power Supply (以下簡寫為 Switching PS)做為 HF 收發機電源的人通常都碰過 RFI 的問題 ,原因是 Switching PS 內部的低頻震盪(約 100KHz )洩漏出來, 以至於在 HF 頻段大約每隔 100KHz 就會有一個干擾存在,令人相當頭痛。可是 Switching PS 的三大優點,卻令人非常心動,如果需要帶著無線電機在不 同地點操作(例如如辦活動、遠征、架設緊急救災電台等),Switching PS 是很值得考慮的。

  1. 重量輕:傳統的電源供應器使用大型的變壓器,重量相當的重,例如我有一個 35A 的 電源供應器,重量為 9.5 公斤,但是相同功率的 Switching PS 通常只有 1 ~ 2 公斤。
  2. 體積小:傳統電源供應器需要大型變壓器、大容量的電容器、大型的散熱片供二極體 以及電晶體散熱,而 Switching PS 裡面的元件體積都不大。
  3. 效率高、發熱少:傳統電源供應器大約有一半的能量在整流二極體、功率電晶體、變 壓器、水泥電阻上以 熱的形式浪費掉,若無法有效的將這些熱量帶走,將使得電晶體過熱而損壞,而 Switching PS 的效率通常高於 80% 以上,即使長時間工作也不容易發燙 。

最近由於有個好地點可以讓我架設比較大的 wire antenna,唯一的缺點就是該地點比 較沒有人管理,除了天線以外,其餘的無線電設備都不適宜留置該處,所以需要一個 輕便的 Switching PS 以便攜帶,因此向朋友借了一個 Switching PS 先測試一下 RFI 的狀況。當我的 ICOM 735 接上 Switching PS 以及室外的 Loop Antenna 後,一轉頻率旋鈕,馬上就發現了大約每隔 100KHz 就有 一個干擾訊號,頻率越低,干擾越強。為了進一步確認干擾的狀況,我將 Loop Antenna 由 ICOM 735 移除,然後直接接上一段約 50 公分的電線做為天線,如此這 段電線幾乎收不到來自天空的信號,而且因為相當靠近 Switching PS,所 以很容易拾取到 Switching PS 的干擾,方便於判斷干擾信號的強度。以 下是我利用 ICOM 735 的 S-meter 所量測到的 RFI 強度:

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#1 ICOM 735 使用 Switching PS S9 S9+10dB S9+10dB S6 S7

Pic 1

一般來說,RF 洩漏的原因主要為不良的屏蔽、RF 由輸入的 AC 電源線洩漏、RF 由輸 出的 DC 電源線洩漏。而我手上這個 Switching PS 的外殼鋁板厚達 1.5mm,上下蓋板蓋好鎖上螺絲以後,接合處均緊密接觸,而其通風孔的設計也相當節 制,所以我初步判斷這個 Switching PS 的屏蔽良好(照片一)。

再來是判斷 RF 藉由 AC 電源線洩漏的情形,於是我將 ICOM 735 改接另一部電源供 應器,使 Switching PS 保持空載來量測 RFI 強度 (#2),然後 將一條長約 4 公尺的電線,一端空接,另一端接在 Switching PS 的 DC 接線柱,當作空載的 DC 電源線,再量測一次 RFI 的強度 (#3)。

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#2 空載,不接 DC 電源線 S5.2 S4.5 S8 S7 S7.5
#3 空載,接上 DC 電源線 S6.2 S5.5 S8 S7 S8.5

由以上的結果可知的確有很多 RF 由 AC 電源線洩漏出來,至於 DC 電源線洩漏的狀 況似乎不是那麼嚴重。

防止 RF 從電源線洩漏的方法就是在 Switching PS 的電源輸出入端 加上低通濾波器, 最簡單的做法是在 AC 輸 入端加上 AC 電源濾波器,這種濾波器在電料行就可以買到(照片二)。AC 電源濾波 器的內部電路如圖一所示,它就是個低通濾波器,可以遏止高頻通過。

Pic 2 Pic 2

加上 AC 電源濾波器之後再量測一次,結果如下:

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#4 空載,使用 AC 濾波器,不接 DC 電源線 X X R3 S0 X R3 S0
#5 空載,使用 AC 濾波器,接上 DC 電源線 X S1 R5 S0 R3 S0 R5 S0

表中 X 代表聽不到 RFI,S0 表示 S 錶的指針不動,R1 代表『幾乎聽不到 RFI 』, R3 代表『有聽到 RFI,但不是很大聲』,R5 代表『 RFI 的干擾聲很清楚』(有如報 告 RS )。

比較 #2 與 #4,可知從 AC 電源線洩漏出來的 RF 明顯的被抑制,其效果至少達到 -54dB,至於 DC 電源線洩漏的問題看來似乎不嚴重。對於這樣的結果我感到很滿意 ,所以決定將無線電機接上 Switching PS 試試看狀況如何。結果卻令人 大吃一驚......

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#6 ICOM 735 使用 Switching PS
使用 AC 濾波器
S9 S9+10dB S8.5 S1 S4

原先以為不嚴重的 DC 電源線洩漏問題,在 IC-735 使用 Switching PS 的 狀況下變得相當嚴重,仔細思考後推測出三個原因:

  1. 因為 Switching PS 內部震盪的強度是隨著負載而增大的, 當 IC-735 接上 Switching PS 接收時,Switching PS 約有 DC 2 安培的負載 ,所以在空載時所測得的數據只能作為參考,不能當作最後的結果。
  2. Switching PS 產生干擾的途徑有兩個,一個是經由電源線輻射出來,被無線電機的 天線接收而形成干擾。另一個途徑就是經由 DC 電源線進入無線電機內部,直接干擾 無線電機內所有的電路,看來這才是干擾的主要途徑。
  3. #3 減去 #2 或是 #5 減去 #4 並不代表 RFI 經由 DC 電源線輻射的 RF 強度,因為 我們並不知道分別由 AC, DC 電源線所洩漏出來的 RFI 到達天線的時候,彼此為 建設性干涉還是破壞性干涉。

從 DC 電源線洩漏出來的 RF 該怎麼抑制呢??其實還是一樣,就是加上低通濾波器, 我們可以把市售 AC 電源濾波器拿來用在 DC 電源輸出端。您千萬不要被『 "AC" 電源濾波器』這樣的名詞給迷惑了,在本質上,它就是低通濾波器,只不過通常被用在 AC 電源線上,所以有『 "AC" 電源濾波器』這樣的名稱,實際上他當然也可以應用在 DC 電源線上。

於是再用一個電源濾波器接在 Switching PS 的 DC 輸出端(如圖二),做一次量測,結果令人滿意,最後將無線電機接上室外的 Loop Antenna,就收不到干擾了。

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#7 ICOM 735 使用 Switching PS
AC/DC都用濾波器
R3 S0 S3 R3 S0 R1 S0 R1 S0
#8 ICOM 735 使用 Switching PS
AC/DC都用濾波器,用室外天線
X X X X X

Fig 2


看來似乎把問題解決了,其實不然,因為我所使用的電源濾波器最大只能承受 3 安 培的電流,這只能承受無線電機接收時的負載(約 2 安培)。而無線電機以 100W 發 射的時候約需 18 安培的電流,所以必須購買能夠承受大電流的電源濾波器(不便宜) 或是自己用高磁導率的環形鐵心來繞製(零件難找),如果不用環形鐵心來繞電感也可 以,只不過電感的體積會很大(因為我們需要數百 uH)。但千萬不要以為多買幾個電 源濾波器然後將其並聯可以解決問題。誠然,並聯可以增加負載電流,但是電感在並 聯以後電感值會變小,使得整個低通濾波器的截止頻率升高,這樣濾除雜訊的效果就 大打折扣了(有可能近乎無效)。

數據彙整

   3.5MHz 7MHz 14MHz 21MHz 28MHz
#1 ICOM 735 使用 Switching PS S9 S9+10dB S9+10dB S6 S7
#2 空載,不接 DC 電源線 S5.2 S4.5 S8 S7 S7.5
#3 空載,接上 DC 電源線 S6.2 S5.5 S8 S7 S8.5
#4 空載,使用 AC 濾波器,不接 DC 電源線 X X R3 S0 X R3 S0
#5 空載,使用 AC 濾波器,接上 DC 電源線 X S1 R5 S0 R3 S0 R5 S0
#6 ICOM 735 使用 Switching PS
使用 AC 濾波器
S9 S9+10dB S8.5 S1 S4
#7 ICOM 735 使用 Switching PS
AC/DC 都用濾波器
R3 S0 S3 R3 S0 R1 S0 R1 S0
#8 ICOM 735 使用 Switching PS
AC/DC 都用濾波器,用室外天線
X X X X X


後記與經驗談

  1. 雖然要製作或購買承受大電流的電源濾波器並不容易,使得 Switching PS 看起來 並不特別好用,但是這個實驗的過程顯示:電源濾波器的確能有效的抑制 RFI 洩漏。
  2. 防治 RFI 的方法中還有一招是將電源線加上金屬屏蔽以避免 RFI 由電源線輻射出 來,但從這個實驗裡得知干擾的主要來源是 RFI 直接由電源線進入無線電機,而且如果 電源線已經接上低通濾波器,那麼經由電源線輻射出來的 RFI 已經很少,所以為電源線 加上金屬屏蔽的效果並不顯著。
  3. 市售的電源濾波器品質差異相當大,主要的差異是裡面的環形鐵心。選購的方法是 先決定你所需要的電流值,然後參考貼在電源濾波器外面的標示,選擇電感值越大的越 好。
  4. 我目前用在 DC 輸出端的電源濾波器可承受 20 安培的電流(逛了好幾家電料行才買 到,約六百多元),其效果比 3 安培的電源濾波器差,因為 3 安培電源濾波器裡面的電 感為 1.4mH,而 20 安培電源濾波器裡面的電感只有 0.7mH。不過目前用起來的感覺還 可以接受。
  5. 在實驗當中由於需要將電源線換來換去,為了方便,剛開始我是使用鱷魚夾來連接 電源線與接線柱,但是發現在同一條件下,有些實驗數據的再現性不佳( RFI 的強度 有時大有時小),後來將電源線牢牢的鎖在接線柱上,RFI 的強度就穩定而且變得比 較弱一些。由此可見不良的接觸也有增強 RFI 的可能。



BV3FG / Robert Suen