某款出口韩国电动按摩椅整改案例
发布时间:2021-12-14
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某款出口韩国电动按摩椅需要通过KC认证,但产品早期主要在国内销售,对EMC认证并不重视,由于缺乏经验,在产品成型后,在测试辐射发射时,数据严重超标,且产品交期迫在眉睫。韬略科技根据其产品功能和结构特性进行整改,最终及时且高效的给出了解决方案。

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。





按摩椅辐射发射测试数据分析





  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。



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,我们在电机驱动IC DRV8840的PWM输出脚做了如图4所示的电路设计。


  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滤波器(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,经验证选择容值为10 nF的BDL滤波器,图5为插入损耗曲线图。




  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500 Ω@100 MHz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)。



  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。


  3.2  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(容值为10 nF),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。


  3.3 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。




  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。




  整改后,样机的最终测试结果如图11、图12所示。




  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。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。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。