摘要

某電動(dòng)按摩椅的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果不合格，通過分析其測(cè)試數(shù)據(jù)，得出電動(dòng)按摩椅的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、有刷電機(jī)、開關(guān)電源模塊等部件的輻射發(fā)射問題，并結(jié)合實(shí)際情況，使用共模電感、X2Y電容、電感、磁環(huán)進(jìn)行了整改。整改后，按摩椅的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果合格。

關(guān)鍵詞

輻射發(fā)射；直流有刷電機(jī)；共模電感；BDL；整改

1 、概述

按摩椅是一種機(jī)電一體化的家用電器產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)揉捏、敲打、滾動(dòng)、震動(dòng)、擠壓、加熱、定時(shí)、音樂播放等功能，一般包括電機(jī)及線束、控制電路板變壓器和開關(guān)電源等用電部件，工作過程中容易產(chǎn)生電磁輻射。

某款大型按摩椅需通過韓國KC認(rèn)證，由于該款按摩椅帶有WiFi無線通信模塊，參考RF產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 301 489的EMC要求,在連接WiFi的情況下，輻射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為EN 55022:2010《信息技術(shù)設(shè)備.無線電干擾特性.限值和測(cè)量方法》。樣機(jī)送往韓國測(cè)試過程中輻射測(cè)試未通過，圖1為該款電動(dòng)按摩椅的主體框架圖。

圖1  按摩椅結(jié)構(gòu)框圖

2 、 按摩椅輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)分析

依據(jù)EN 55022:CLASS B的要求，圖2、圖3分別為該按摩椅水平/垂直極化初次輻射發(fā)射十米法測(cè)試數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，整機(jī)全頻段輻射噪聲偏高，垂直和水平極化在低頻部分30～300 MHz處超標(biāo)較為嚴(yán)重，*高超標(biāo)點(diǎn)39.7 MHz峰值超過限值23 dB；300 MHz以后高頻部分較多無規(guī)律的雜亂波形，整體噪聲值較高。

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

  圖2 按摩椅初次輻射測(cè)試數(shù)據(jù)（水平極化）

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

        圖3 按摩椅初次輻射測(cè)試數(shù)據(jù)（垂直極化）

問題點(diǎn)一：電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC

為了尋找此處輻射源，我們使用EMI很低的直流電源給控制主板供電，僅保留電機(jī)連接線纜，用水泥電阻做負(fù)載模擬電機(jī)工作，用以排除電源和電機(jī)本身的噪聲。此狀態(tài)**存在的輻射源只有電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC。測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，30～300 MHz處輻射現(xiàn)象沒有明顯變化，仍然超標(biāo)嚴(yán)重。

問題點(diǎn)二：直流電機(jī)

測(cè)試數(shù)據(jù)中全頻段無規(guī)律的雜亂波形，是由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電刷與換相片切換拉電弧產(chǎn)生的高頻噪聲，此噪聲瞬間能量較高，使用峰值檢波器測(cè)量時(shí)，超標(biāo)嚴(yán)重。此款按摩椅整機(jī)使用電機(jī)總數(shù)為5個(gè)，且電機(jī)負(fù)載較重，在高轉(zhuǎn)速情況下，峰值及準(zhǔn)峰值均超標(biāo)。

問題點(diǎn)三：開關(guān)電源模塊

按摩椅控制板由一開關(guān)電源模塊供電，使用水泥電阻模擬負(fù)載，低頻段超標(biāo)。

3 、 按摩椅存在輻射問題分析及處理方案

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)生的PWM調(diào)制信號(hào)

此款按摩椅使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC為德州儀器的DRV8840， DRV8840通過全橋式電路（H-bridge）實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)輸入到H-bridge實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由于PWM信號(hào)包涵了豐富的高頻噪聲，而電機(jī)引線*長可達(dá)2 m，給輻射噪聲搭載了很好的耦合路徑。

為了能有效抑制共模和差模噪聲，我們?cè)陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)IC DRV8840的PWM輸出腳做了如圖4所示的電路設(shè)計(jì)。

圖4 DRV8840輸出濾波設(shè)計(jì)電路

如圖4紅框部分，電機(jī)兩驅(qū)動(dòng)引線**級(jí)濾波使用新型器件BDL電容（內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似兩個(gè)Y電容，一個(gè)X電容。此結(jié)構(gòu)既能濾除共模也能濾除差模噪聲），驅(qū)動(dòng)IC的PWM信號(hào)頻率為幾十千赫茲，經(jīng)驗(yàn)證選擇濾波頻率為35MHz的BDL濾波器，圖5為插入損耗曲線圖。

 （橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：IL/dB)

    圖5 BDL濾波器插入損耗曲線圖

從圖5可見，當(dāng)噪聲頻率在10～100 MHz之間達(dá)到諧振頻率點(diǎn)，差模噪聲在此范圍內(nèi)能得到*大的衰減。剛好能對(duì)應(yīng)測(cè)試超標(biāo)比較嚴(yán)重的頻段。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流*大為4.5 A，在滿足電流的情況下選用100 MHz@500 Ω的共模濾波器，阻抗曲線如圖6所示（阻抗峰值的頻段在100～300 MHz）。

圖6  500Ω@100MHz的共模濾波器阻抗曲線

通過兩級(jí)濾波，30～300 MHz電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)生的輻射噪聲，如圖7、圖8所示。可以看出，輻射噪聲在30～300 MHz頻段有明顯下降，峰值*大降幅有將近20 dB。

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

圖7 **次改后輻射測(cè)試數(shù)據(jù)（水平極化）

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

圖8 **次改后輻射測(cè)試數(shù)據(jù)（垂直極化）

3.2  直流有刷電機(jī)

由于電刷和換向器的存在，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中容易產(chǎn)生換向火花，而換向火花會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高頻噪聲，引起輻射超標(biāo)。

該測(cè)試按摩椅的電機(jī)有5個(gè)，包括揉捏電機(jī)、敲擊電機(jī)、行走電機(jī)和滾輪電機(jī)等。由低EMI直流源供電，單獨(dú)測(cè)試每個(gè)電機(jī)，均有超標(biāo)情況，其中揉捏和敲擊電機(jī)由于需承受負(fù)重較高，正常工作時(shí)輻射超標(biāo)*為嚴(yán)重。當(dāng)5個(gè)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)輻射噪聲總能量將達(dá)到峰值。

為解決電機(jī)輻射噪聲,使用電容和電感對(duì)噪聲進(jìn)行濾波，制成PCB板后放置于電機(jī)內(nèi)部，該P(yáng)CB板如圖9所示，主要對(duì)電機(jī)兩碳刷引線進(jìn)行處理，采用LC濾波的方式，根據(jù)諧振頻率和插入損耗特性（L₁和L₂使用感量為12 μH的電感），使用等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）極低的BDL濾波器（頻段為35MHz），將PCB小板放置于電機(jī)內(nèi)部，且PCB的地與電機(jī)金屬外殼通過螺絲良好搭接。

圖9 電機(jī)濾波電路圖

3.3 開關(guān)電源

按摩椅的開關(guān)電源是外購的，并未對(duì)開關(guān)電源內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化處理，而是在開關(guān)電源的輸入、輸出繞鐵氧體磁環(huán)，切斷耦合途徑。常用于EMI抑制的鐵氧體磁環(huán)有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體，其適用范圍如表1所示。

表1 不同鐵氧體磁環(huán)的特點(diǎn)

使用水泥負(fù)載單獨(dú)對(duì)按摩椅的開關(guān)電源模塊進(jìn)行測(cè)試，電源模塊超標(biāo)頻點(diǎn)集中在30~100 MHz。所以選擇鎳鋅材料鐵氧體磁環(huán)更適合。我們選取了20 mm×20 mm×30 mm方形磁環(huán)和16 mm×28 mm×9 mm圓形磁環(huán)分別用于開關(guān)電源模塊的輸入、輸出線纜。磁環(huán)盡量靠近開關(guān)電源模塊，且為了增加高頻噪聲阻抗，線纜繞制磁環(huán)一圈，安裝位置和安裝方式如圖10所示。

圖10 按摩椅開關(guān)電源模塊磁環(huán)放置圖

整改后，樣機(jī)的*終測(cè)試結(jié)果如圖11、圖12所示。

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

圖11 按摩椅*終測(cè)試結(jié)果（水平極化）

（橫坐標(biāo)：f/MHz，縱坐標(biāo)：E/dB(μV.m^-1）)

圖12 按摩椅*終測(cè)試結(jié)果（垂直極化）

需要說明的是，上面的數(shù)據(jù)雖然有部分頻點(diǎn)仍然超標(biāo)1 dB左右或者余量不足，但這些頻點(diǎn)均為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲，使用準(zhǔn)峰值檢波器測(cè)量，有10～20 dB的余量，該電動(dòng)按摩椅*終通過了輻射發(fā)射測(cè)試。

4  、結(jié)語

本案例的電動(dòng)按摩椅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電機(jī)和傳輸線眾多，線與線之間輻射噪聲容易相互耦合，輻射的問題點(diǎn)較難定位。通過排除法找到輻射發(fā)射源頭，找出對(duì)應(yīng)的超標(biāo)頻點(diǎn)，根據(jù)超標(biāo)頻率，合理并有針對(duì)性的選擇EMC濾波器件，從輻射耦合路徑上切斷輻射能量。選擇濾波器需關(guān)注的是，濾波器的針對(duì)頻點(diǎn)，及濾波器放置的位置。錯(cuò)誤的使用濾波器會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試效果。