某款出口韓國電動按摩椅整改案例
發布時間:2021-12-14
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某款出口韓國電動按摩椅需要通過KC認證,但產品早期主要在國內銷售,對EMC認證并不重視,由于缺乏經驗,在產品成型后,在測試輻射發射時,數據嚴重超標,且產品交期迫在眉睫。韜略科技根據其產品功能和結構特性進行整改,最終及時且高效的給出了解決方案。

按摩椅是一種機電一體化的家用電器產品,可實現揉捏、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。





按摩椅輻射發射測試數據分析





  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,最高超標點39.7 MHz峰值超過限值23 dB;300 MHz以后高頻部分較多無規律的雜亂波形,整體噪聲值較高。



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。此狀態唯一存在的輻射源只有電機驅動IC。測試時發現,30~300 MHz處輻射現象沒有明顯變化,仍然超標嚴重。



問題點二:直流電機


測試數據中全頻段無規律的雜亂波形,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。


按摩椅存在輻射問題分析及處理方案





  3.1 電機驅動IC產生的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)實現電機驅動,脈寬調制(PWM)信號輸入到H-bridge實現轉速控制,由于PWM信號包涵了豐富的高頻噪聲,而電機引線最長可達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。


  如圖4紅框部分,電機兩驅動引線第一級濾波使用新型器件BDL濾波器(內部結構類似兩個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,經驗證選擇容值為10 nF的BDL濾波器,圖5為插入損耗曲線圖。




  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能得到最大的衰減。剛好能對應測試超標比較嚴重的頻段。電機驅動電流最大為4.5 A,在滿足電流的情況下選用500 Ω@100 MHz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)。



  通過兩級濾波,30~300 MHz電機驅動IC產生的輻射噪聲,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,峰值最大降幅有將近20 dB。


  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生換向火花,而換向火花會產生瞬態高頻噪聲,引起輻射超標。
  該按摩椅的電機有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最為嚴重。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),使用等效串聯電感(ESL)和等效串聯電阻(ESR)極低的BDL濾波器(容值為10 nF),將PCB小板放置于電機內部,且PCB的地與電機金屬外殼通過螺絲良好搭接。


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




  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更適合。我們選取了20 mm×20 mm×30 mm方形磁環和16 mm×28 mm×9 mm圓形磁環分別用于開關電源模塊的輸入、輸出線纜。磁環盡量靠近開關電源模塊,且為了增加高頻噪聲阻抗,線纜繞制磁環一圈,安裝位置和安裝方式如圖10所示。




  整改后,樣機的最終測試結果如圖11、圖12所示。




  需要說明的是,上面的數據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,該電動按摩椅最終通過了輻射發射測試。


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射源頭,找出對應的超標頻點,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。

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