【应用】电动按摩椅辐射发射整改方案：辐射噪声降幅20 dB，解决30～300 MHz处辐射超标问题

时间： 2021-08-25 来源：韬略科技

技术问答

按摩椅是一种机电一体化的家用电器产品，可实现揉捏、敲打、滚动、震动、挤压、加热、定时、音乐播放等功能，一般包括电机及线束、控制电路板变压器和开关电源等用电部件，工作过程中容易产生电磁辐射。

某款大型按摩椅需通过韩国KC认证，由于该款按摩椅带有WiFi无线通信模块，参考RF产品标准EN 301 489的EMC要求，在连接WiFi的情况下，辐射测试标准为EN 55022：2010《信息技术设备.无线电干扰特性.限值和测量方法》。样机送往韩国测试过程中辐射测试未通过，图1为该款电动按摩椅的主体框架图。

图1 按摩椅结构框图

按摩椅辐射发射测试数据分析

针对于上述情况，韬略科技对按摩椅辐射发射测试数据进行了分析。依据EN 55022：CLASS B的要求，图2、图3分别为该按摩椅水平/垂直极化初次辐射发射十米法测试数据。可以看出，整机全频段辐射噪声偏高，垂直和水平极化在低频部分30～300 MHz处超标较为严重，最高超标点39.7 MHz峰值超过限值23 dB；300 MHz以后高频部分较多无规律的杂乱波形，整体噪声值较高。

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图2 按摩椅初次辐射测试数据（水平极化）

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图3 按摩椅初次辐射测试数据（垂直极化）

问题点一：电机驱动IC

为了寻找此处辐射源，我们使用EMI很低的直流电源给控制主板供电，仅保留电机连接线缆，用水泥电阻做负载模拟电机工作，用以排除电源和电机本身的噪声。此状态唯一存在的辐射源只有电机驱动IC。测试时发现，30～300 MHz处辐射现象没有明显变化，仍然超标严重。

问题点二：直流电机

测试数据中全频段无规律的杂乱波形，是由于电机在转动过程中，电刷与换相片切换拉电弧产生的高频噪声，此噪声瞬间能量较高，使用峰值检波器测量时，超标严重。此款按摩椅整机使用电机总数为5个，且电机负载较重，在高转速情况下，峰值及准峰值均超标。

问题点三：开关电源模块

按摩椅控制板由一开关电源模块供电，使用水泥电阻模拟负载，低频段超标。

按摩椅存在辐射问题分析及处理方案

3.1 电机驱动IC产生的PWM调制信号

此款按摩椅使用的电机驱动IC为德州仪器的DRV8840， DRV8840通过全桥式电路（H-bridge）实现电机驱动，脉宽调制（PWM）信号输入到H-bridge实现转速控制，由于PWM信号包涵了丰富的高频噪声，而电机引线最长可达2 m，给辐射噪声搭载了很好的耦合路径。

为了能有效抑制共模和差模噪声，在电机驱动IC DRV8840的PWM输出脚做了如图4所示的电路设计。

图4 DRV8840输出滤波设计电路

如图4红框部分，电机两驱动引线第一级滤波使用新型器件BDL电容（内部结构类似两个Y电容，一个X电容。此结构既能滤除共模也能滤除差模噪声），驱动IC的PWM信号频率为几十千赫兹，经验证选择滤波频率为35MHz的BDL滤波器，图5为插入损耗曲线图。

（横坐标：f/MHz，纵坐标：IL/dB)

图5 BDL滤波器插入损耗曲线图

从图5可见，当噪声频率在10～100 MHz之间达到谐振频率点，差模噪声在此范围内能得到最大的衰减。刚好能对应测试超标比较严重的频段。电机驱动电流最大为4.5 A，在满足电流的情况下选用100 MHz@500 Ω的共模滤波器，阻抗曲线如图6所示（阻抗峰值的频段在100～300 MHz）。

图6 500Ω@100MHz的共模滤波器阻抗曲线

通过两级滤波，30～300 MHz电机驱动IC产生的辐射噪声，如图7、图8所示。可以看出，辐射噪声在30～300 MHz频段有明显下降，峰值最大降幅有将近20 dB。

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图7 第一次改后辐射测试数据（水平极化）

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图8 第一次改后辐射测试数据（垂直极化）

直流有刷电机

由于电刷和换向器的存在，电机转动过程中容易产生换向火花，而换向火花会产生瞬态高频噪声，引起辐射超标。

该测试按摩椅的电机有5个，包括揉捏电机、敲击电机、行走电机和滚轮电机等。由低EMI直流源供电，单独测试每个电机，均有超标情况，其中揉捏和敲击电机由于需承受负重较高，正常工作时辐射超标最为严重。当5个电机同时工作时辐射噪声总能量将达到峰值。

为解决电机辐射噪声，使用电容和电感对噪声进行滤波，制成PCB板后放置于电机内部，该PCB板如图9所示，主要对电机两碳刷引线进行处理，采用LC滤波的方式，根据谐振频率和插入损耗特性（L₁和L₂使用感量为12 μH的电感），使用等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）极低的BDL滤波器（频段为35MHz），将PCB小板放置于电机内部，且PCB的地与电机金属外壳通过螺丝良好搭接。

图9 电机滤波电路图

开关电源

按摩椅的开关电源是外购的，并未对开关电源内部电路进行优化处理，而是在开关电源的输入、输出绕铁氧体磁环，切断耦合途径。常用于EMI抑制的铁氧体磁环有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体，其适用范围如表1所示。

表1 不同铁氧体磁环的特点

使用水泥负载单独对按摩椅的开关电源模块进行测试，电源模块超标频点集中在30~100 MHz。所以选择镍锌材料铁氧体磁环更适合。我们选取了20 mm×20 mm×30 mm方形磁环和16 mm×28 mm×9 mm圆形磁环分别用于开关电源模块的输入、输出线缆。磁环尽量靠近开关电源模块，且为了增加高频噪声阻抗，线缆绕制磁环一圈，安装位置和安装方式如图10所示。

图10 按摩椅开关电源模块磁环放置图

整改后，样机的最终测试结果如图11、图12所示。

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图11 按摩椅最终测试结果（水平极化）

（横坐标：f/MHz，纵坐标：E/dB(μV.m^-1）)

图12 按摩椅最终测试结果（垂直极化）

需要说明的是，上面的数据虽然有部分频点仍然超标1 dB左右或者余量不足，但这些频点均为电机转动过程中产生的噪声，使用准峰值检波器测量，有10～20 dB的余量，该电动按摩椅最终通过了辐射发射测试。

结语

本案例的电动按摩椅结构复杂，电机和传输线众多，线与线之间辐射噪声容易相互耦合，辐射的问题点较难定位。韬略科技通过排除法找到辐射发射源头，找出对应的超标频点，根据超标频率，合理并有针对性的选择EMC滤波器件，从辐射耦合路径上切断辐射能量。另外，选择滤波器需关注的是滤波器的针对频点及滤波器放置的位置。错误的使用滤波器会严重影响测试效果。

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