電動按摩椅輻射發(fā)射整改案例！

摘要

某電動按摩椅的輻射發(fā)射測試結果不合格，通過分析其測試數(shù)據(jù)，得出電動按摩椅的電機驅動芯片、有刷電機、開關電源模塊等部件的輻射發(fā)射問題，并結合實際情況，使用共模電感、X2Y電容、電感、磁環(huán)進行了整改。整改后，按摩椅的輻射發(fā)射測試結果合格。

關鍵詞

輻射發(fā)射；直流有刷電機；共模電感；BDL；整改

1 、概述

按摩椅是一種機電一體化的家用電器產(chǎn)品，可實現(xiàn)揉捏、敲打、滾動、震動、擠壓、加熱、定時、音樂播放等功能，一般包括電機及線束、控制電路板變壓器和開關電源等用電部件，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認證，由于該款按摩椅帶有WiFi無線通信模塊，參考RF產(chǎn)品標準EN 301 489的EMC要求,在連接WiFi的情況下，輻射測試標準為EN 55022:2010《信息技術設備.無線電干擾特性.限值和測量方法》。樣機送往韓國測試過程中輻射測試未通過，圖1為該款電動按摩椅的主體框架圖。

圖1  按摩椅結構框圖

2 、 按摩椅輻射發(fā)射測試數(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)射十米法測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯麢C全頻段輻射噪聲偏高，垂直和水平極化在低頻部分30～300 MHz處超標較為嚴重，*高超標點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：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

  圖2 按摩椅初次輻射測試數(shù)據(jù)（水平極化）

（橫坐標：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

        圖3 按摩椅初次輻射測試數(shù)據(jù)（垂直極化）

問題點一：電機驅動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，僅保留電機連接線纜，用水泥電阻做負載模擬電機工作，用以排除電源和電機本身的噪聲。此狀態(tài)**存在的輻射源只有電機驅動IC。測試時發(fā)現(xiàn)，30～300 MHz處輻射現(xiàn)象沒有明顯變化，仍然超標嚴重。

問題點二：直流電機

測試數(shù)據(jù)中全頻段無規(guī)律的雜亂波形，是由于電機在轉動過程中，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，使用峰值檢波器測量時，超標嚴重。此款按摩椅整機使用電機總數(shù)為5個，且電機負載較重，在高轉速情況下，峰值及準峰值均超標。

問題點三：開關電源模塊

按摩椅控制板由一開關電源模塊供電，使用水泥電阻模擬負載，低頻段超標。

3 、 按摩椅存在輻射問題分析及處理方案

3.1 電機驅動IC產(chǎn)生的PWM調制信號

此款按摩椅使用的電機驅動IC為德州儀器的DRV8840， DRV8840通過全橋式電路（H-bridge）實現(xiàn)電機驅動，脈寬調制（PWM）信號輸入到H-bridge實現(xiàn)轉速控制，由于PWM信號包涵了豐富的高頻噪聲，而電機引線*長可達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，我們在電機驅動IC DRV8840的PWM輸出腳做了如圖4所示的電路設計。

圖4 DRV8840輸出濾波設計電路

如圖4紅框部分，電機兩驅動引線**級濾波使用新型器件BDL電容（內(nèi)部結構類似兩個Y電容，一個X電容。此結構既能濾除共模也能濾除差模噪聲），驅動IC的PWM信號頻率為幾十千赫茲，經(jīng)驗證選擇濾波頻率為35MHz的BDL濾波器，圖5為插入損耗曲線圖。

 （橫坐標：f/MHz，縱坐標：IL/dB)

    圖5 BDL濾波器插入損耗曲線圖

從圖5可見，當噪聲頻率在10～100 MHz之間達到諧振頻率點，差模噪聲在此范圍內(nèi)能得到*大的衰減。剛好能對應測試超標比較嚴重的頻段。電機驅動電流*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

通過兩級濾波，30～300 MHz電機驅動IC產(chǎn)生的輻射噪聲，如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，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：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

圖7 **次改后輻射測試數(shù)據(jù)（水平極化）

（橫坐標：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

圖8 **次改后輻射測試數(shù)據(jù)（垂直極化）

3.2  直流有刷電機

由于電刷和換向器的存在，電機轉動過程中容易產(chǎn)生換向火花，而換向火花會產(chǎn)生瞬態(tài)高頻噪聲，引起輻射超標。

該測試按摩椅的電機有5個，包括揉捏電機、敲擊電機、行走電機和滾輪電機等。由低EMI直流源供電，單獨測試每個電機，均有超標情況，其中揉捏和敲擊電機由于需承受負重較高，正常工作時輻射超標*為嚴重。當5個電機同時工作時輻射噪聲總能量將達到峰值。

為解決電機輻射噪聲,使用電容和電感對噪聲進行濾波，制成PCB板后放置于電機內(nèi)部，該PCB板如圖9所示，主要對電機兩碳刷引線進行處理，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小板放置于電機內(nèi)部，且PCB的地與電機金屬外殼通過螺絲良好搭接。

圖9 電機濾波電路圖

3.3 開關電源

按摩椅的開關電源是外購的，并未對開關電源內(nèi)部電路進行優(yōu)化處理，而是在開關電源的輸入、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

使用水泥負載單獨對按摩椅的開關電源模塊進行測試，電源模塊超標頻點集中在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)分別用于開關電源模塊的輸入、輸出線纜。磁環(huán)盡量靠近開關電源模塊，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 按摩椅開關電源模塊磁環(huán)放置圖

整改后，樣機的*終測試結果如圖11、圖12所示。

（橫坐標：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

圖11 按摩椅*終測試結果（水平極化）

（橫坐標：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

圖12 按摩椅*終測試結果（垂直極化）

需要說明的是，上面的數(shù)據(jù)雖然有部分頻點仍然超標1 dB左右或者余量不足，但這些頻點均為電機轉動過程中產(chǎn)生的噪聲，使用準峰值檢波器測量，有10～20 dB的余量，該電動按摩椅*終通過了輻射發(fā)射測試。

4  、結語

本案例的電動按摩椅結構復雜，電機和傳輸線眾多，線與線之間輻射噪聲容易相互耦合，輻射的問題點較難定位。通過排除法找到輻射發(fā)射源頭，找出對應的超標頻點，根據(jù)超標頻率，合理并有針對性的選擇EMC濾波器件，從輻射耦合路徑上切斷輻射能量。選擇濾波器需關注的是，濾波器的針對頻點，及濾波器放置的位置。錯誤的使用濾波器會嚴重影響測試效果。