電動(dòng)按摩椅輻射發(fā)射整改案例！

摘要

某電動(dòng)按摩椅的輻射發(fā)射測試結果不合格，通過(guò)分析其測試數據，得出電動(dòng)按摩椅的電機驅動(dòng)芯片、有刷電機、開(kāi)關(guān)電源模塊等部件的輻射發(fā)射問(wèn)題，并結合實(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)射測試結果合格。

關(guān)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(shí)現揉捏、敲打、滾動(dòng)、震動(dòng)、擠壓、加熱、定時(shí)、音樂(lè )播放等功能，一般包括電機及線(xiàn)束、控制電路板變壓器和開(kāi)關(guān)電源等用電部件，工作過(guò)程中容易產(chǎn)生電磁輻射。

某款大型按摩椅需通過(guò)韓國KC認證，由于該款按摩椅帶有WiFi無(wú)線(xiàn)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(shù)設備.無(wú)線(xiàn)電干擾特性.限值和測量方法》。樣機送往韓國測試過(guò)程中輻射測試未通過(guò)，圖1為該款電動(dòng)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)射測試數據分析

依據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)射十米法測試數據?？梢钥闯?，整機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(diǎn)39.7 MHz峰值超過(guò)限值23 dB；300 MHz以后高頻部分較多無(wú)規律的雜亂波形，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據（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據（垂直極化）

問(wèn)題點(diǎn)一：電機驅動(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，僅保留電機連接線(xiàn)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(dòng)IC。測試時(shí)發(fā)現，30～300 MHz處輻射現象沒(méi)有明顯變化，仍然超標嚴重。

問(wèn)題點(diǎn)二：直流電機

測試數據中全頻段無(wú)規律的雜亂波形，是由于電機在轉動(dòng)過(guò)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(shí)，超標嚴重。此款按摩椅整機使用電機總數為5個(gè)，且電機負載較重，在高轉速情況下，峰值及準峰值均超標。

問(wèn)題點(diǎn)三：開(kāi)關(guān)電源模塊

按摩椅控制板由一開(kāi)關(guān)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(wèn)題分析及處理方案

3.1 電機驅動(dòng)IC產(chǎn)生的PWM調制信號

此款按摩椅使用的電機驅動(dòng)IC為德州儀器的DRV8840， DRV8840通過(guò)全橋式電路（H-bridge）實(shí)現電機驅動(dòng)，脈寬調制（PWM）信號輸入到H-bridge實(shí)現轉速控制，由于PWM信號包涵了豐富的高頻噪聲，而電機引線(xiàn)*長(cháng)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(dòng)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(dòng)引線(xiàn)**級濾波使用新型器件BDL電容（內部結構類(lèi)似兩個(gè)Y電容，一個(gè)X電容。此結構既能濾除共模也能濾除差模噪聲），驅動(dòng)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(xiàn)圖。

 （橫坐標：f/MHz，縱坐標：IL/dB)

    圖5 BDL濾波器插入損耗曲線(xiàn)圖

從圖5可見(jiàn)，當噪聲頻率在10～100 MHz之間達到諧振頻率點(diǎn)，差模噪聲在此范圍內能得到*大的衰減。剛好能對應測試超標比較嚴重的頻段。電機驅動(dòng)電流*大為4.5 A，在滿(mǎn)足電流的情況下選用100 MHz@500 Ω的共模濾波器，阻抗曲線(xiàn)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(xiàn)

通過(guò)兩級濾波，30～300 MHz電機驅動(dòng)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 **次改后輻射測試數據（水平極化）

（橫坐標：f/MHz，縱坐標：E/dB(μV.m^-1）)

圖8 **次改后輻射測試數據（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(dòng)過(guò)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。

該測試按摩椅的電機有5個(gè)，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(gè)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(shí)輻射超標*為嚴重。當5個(gè)電機同時(shí)工作時(shí)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(jìn)行濾波，制成PCB板后放置于電機內部，該PCB板如圖9所示，主要對電機兩碳刷引線(xiàn)進(jìn)行處理，采用LC濾波的方式，根據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小板放置于電機內部，且PCB的地與電機金屬外殼通過(guò)螺絲良好搭接。

圖9 電機濾波電路圖

3.3 開(kāi)關(guān)電源

按摩椅的開(kāi)關(guān)電源是外購的，并未對開(kāi)關(guān)電源內部電路進(jìn)行優(yōu)化處理，而是在開(kāi)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)

使用水泥負載單獨對按摩椅的開(kāi)關(guān)電源模塊進(jìn)行測試，電源模塊超標頻點(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(kāi)關(guān)電源模塊的輸入、輸出線(xiàn)纜。磁環(huán)盡量靠近開(kāi)關(guān)電源模塊，且為了增加高頻噪聲阻抗，線(xiàn)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(kāi)關(guān)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(shuō)明的是，上面的數據雖然有部分頻點(diǎn)仍然超標1 dB左右或者余量不足，但這些頻點(diǎn)均為電機轉動(dòng)過(guò)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(dòng)按摩椅*終通過(guò)了輻射發(fā)射測試。

4  、結語(yǔ)

本案例的電動(dòng)按摩椅結構復雜，電機和傳輸線(xiàn)眾多，線(xiàn)與線(xiàn)之間輻射噪聲容易相互耦合，輻射的問(wèn)題點(diǎn)較難定位。通過(guò)排除法找到輻射發(fā)射源頭，找出對應的超標頻點(diǎn)，根據超標頻率，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(guān)注的是，濾波器的針對頻點(diǎn)，及濾波器放置的位置。錯誤的使用濾波器會(huì )嚴重影響測試效果。