一種周期性工作的高分貝喇叭電磁騷擾整改*

/上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的功率密度不斷提高，已廣泛應(yīng)用于各種電子電氣設(shè)備中。與傳統(tǒng)的線性調(diào)節(jié)式穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點，成為各種電源系統(tǒng)的重要部分。目前高度復(fù)雜的開關(guān)電源（SMPS）的工作效率為85%或更高，單位功率密度達(dá)到每立方厘米幾十瓦。但是開關(guān)電源的突出問題在于會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。這種干擾具有較高的輻射幅值和較高諧波頻率，可能會超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值范圍，影響周圍的電磁環(huán)境。先前的研究表明，開關(guān)電源模塊的開關(guān)電源晶體管方波的上升、下降時間通常在微秒或納秒級別，在線性區(qū)域花費(fèi)時間極少，具有較高的du/dt和di/dt，會產(chǎn)生較高頻率的共模噪聲和差模噪聲[1]。此外，由于周圍電路串?dāng)_耦合，使產(chǎn)品的電磁騷擾發(fā)射情況更為復(fù)雜。對于任何涉及開關(guān)電源的產(chǎn)品，開關(guān)電源模塊都是其對外產(chǎn)生電磁干擾的重要原因之一。

本文針對一種標(biāo)準(zhǔn)聲音輸出為（130±4）dB周期性高分貝喇叭的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾超標(biāo)問題進(jìn)行理論分析和試驗整改，通過引入濾波電路進(jìn)行整改優(yōu)化，以符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 試驗

1.1 整改前傳導(dǎo)和輻射騷擾檢測結(jié)果

按照CISPR 11：2015 1組A類限值要求，對研究中的高分貝喇叭進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾檢測。傳導(dǎo)騷擾檢測結(jié)果如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）分別為電源兩個極性的檢測結(jié)果,其中深色曲線和淺色曲線分別為峰值和平均值預(yù)掃結(jié)果，深色和淺色菱形標(biāo)識為限值要求的準(zhǔn)峰值和平均值。輻射騷擾檢測結(jié)果如圖2所示，其中圖2（a）和圖2（b）分別為天線水平和垂直極化的檢測結(jié)果，其中曲線為峰值預(yù)掃結(jié)果，“X”型標(biāo)識為限值要求的準(zhǔn)峰值。從結(jié)果可知，研究中高分貝喇叭的主要發(fā)射頻率范圍為0.15～70 MHz。騷擾信號為窄帶噪聲及其諧波。先前的研究表明，開關(guān)電源在0.15～1 MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以共模形式存在；在1～10 MHz頻率范圍內(nèi)騷擾的形式為共模和差模共存；在10 MHz以上，騷擾的形式主要以共模為主[2]。產(chǎn)生共模騷擾的原因主要在于電源與地之間的寄生電容，而產(chǎn)生差模騷擾的原因則在于開關(guān)管的開關(guān)動作[3]。

圖1 高分貝喇叭整改前傳導(dǎo)騷擾檢測結(jié)果

圖2 高分貝喇叭整改前輻射騷擾檢測結(jié)果

對產(chǎn)品的電路進(jìn)行分析，結(jié)合輔助噪聲電壓和電流測量及近場探頭測量，結(jié)果顯示，傳導(dǎo)和輻射騷擾發(fā)射超標(biāo)的主要源頭在于喇叭的開關(guān)電源模塊[4,5,6]。為了產(chǎn)生高分貝的聲音輸出，開關(guān)電源的場效應(yīng)晶體管會產(chǎn)生大量的熱量。而場效應(yīng)晶體管和金屬散熱片的距離非常近，因此，兩者之間的分布參數(shù)（主要是寄生電容）對傳導(dǎo)和輻射騷擾發(fā)射具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的主要源頭是相同的，只要處理好傳導(dǎo)部分的騷擾超標(biāo)問題，輻射騷擾超標(biāo)的問題就會相應(yīng)解決。

根據(jù)先前對開關(guān)電源的共模和差模騷擾發(fā)射的理論模型及等效電路的分析，在不考慮濾波電路寄生電容的影響條件下，開關(guān)電源的共模和差模騷擾電壓幅值包絡(luò)圖相似，如圖3所示[2]。發(fā)射在1/πtr之前的騷擾電壓幅值平坦，之后按照20 dB/dec的速率下降，但是兩者發(fā)射幅值的影響因素不同。先前研究結(jié)果表明，共模和差模騷擾的幅值分別依據(jù)式（1）和式（2）進(jìn)行近似的計算。由式（1）和式（2）可知，共模騷擾電壓的主要影響因素為對地的寄生電容Cp，而差模騷擾電壓的主要影響因素為差模電流Ip。

圖3 開關(guān)電源的共模或差模騷擾電壓幅值包絡(luò)隨頻率的變化關(guān)系

基頻共模傳導(dǎo)輻射幅度的表達(dá)式

式中：Vcm——共模騷擾電壓；

Vp——電壓源；

F0——開關(guān)電源基頻；

Cp——開關(guān)電源的寄生電容

基頻差模傳導(dǎo)輻射幅度的表達(dá)式

式中：Vdm——差模騷擾電壓；

LF——濾波電容的寄生電感；

IP——電流源

通過以上分析可知，在供電電壓和開關(guān)電源基頻F0確定的條件下，減小共模騷擾的有效手段為減小寄生電容Cp，而減小差模騷擾的有效手段為減小寄生電感LF。為了抑制高分貝喇叭的傳導(dǎo)騷擾發(fā)射和輻射騷擾發(fā)射，在不改變原電路設(shè)計的條件下，首選的方法為在電源和樣品之間引入濾波電路[7,8,9]。研究中濾波電路的設(shè)計必須能夠提供10 dB以上的騷擾電壓衰減。

1.2 濾波電路

通常電源線濾波電路是L-C結(jié)構(gòu)。根據(jù)濾波電路的設(shè)計原則，首先設(shè)計共模濾波電路，然后由共模扼流圈的泄露電感設(shè)計差模濾波電路，并選擇線對線電容值以提供所需要的衰減。此外還需要考慮泄漏電流要求。根據(jù)上述分析，進(jìn)行試驗驗證和參數(shù)優(yōu)化，濾波電路設(shè)計如圖4所示，用以改善傳導(dǎo)和輻射騷擾。

圖4 濾波電路

濾波電路由三個0.1 μF的X電容C1、C2和C3，兩個3 300 pF的Y電容C4、C5，一個5 mH的共模扼流圈L1，兩個10 μH差模電感L2、L3，一個1 MΩ差模電阻R1以及一個10 mH的對地電感L4組成。

為實現(xiàn)共模濾波，引入5 mH共模扼流圈。為防止共模扼流圈的線圈間不完全耦合導(dǎo)致的泄露電感，引入了L2和L3兩個差模電感。為實現(xiàn)差模濾波，引入0.1 μF X電容。出于對電容放電的安全考慮，并聯(lián)一個1 MΩ電阻?？紤]到泄漏電流的安全要求范圍通常在0.25～5 mA，對地電容在滿足需求的情況下盡可能小，這里選擇為3 300 pF。此外，在Y電容對地端引入一個10 mH電感，以滿足對地射頻阻抗和泄露電流的安全要求。

1.3 整改后傳導(dǎo)和輻射騷擾檢測結(jié)果

在電源輸入端引入濾波電路后，對高分貝預(yù)警喇叭的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾進(jìn)行檢測。傳導(dǎo)騷擾檢測結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）和圖5（b）分別為電源兩個極性的檢測結(jié)果，其中深色曲線和淺色曲線分別為峰值和平均值預(yù)掃結(jié)果，深色和淺色菱形標(biāo)識為限值要求的準(zhǔn)峰值和平均值。輻射騷擾檢測結(jié)果如圖6所示，其中圖6（a）和圖6（b）分別為天線水平和垂直極化的檢測結(jié)果，其中曲線為峰值預(yù)掃結(jié)果，“X”型標(biāo)識為限值要求的準(zhǔn)峰值。從檢測結(jié)果可知，通過整改的高分貝預(yù)警喇叭的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾幅值顯著降低。在0.15～70 MHz頻段騷擾幅值顯著降低，超標(biāo)頻段實現(xiàn)了20 dB以上的衰減。綜上所述，接入濾波電路后產(chǎn)品的電磁干擾發(fā)射得到了顯著的改善，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 整改后傳導(dǎo)騷擾檢測結(jié)果

2 結(jié)語

通過對開關(guān)電源導(dǎo)致的電磁騷擾發(fā)射機(jī)理進(jìn)行分析，針對研究中的高分貝喇叭的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射進(jìn)行理論分析和試驗整改。采用濾波電路抑制共模和差模騷擾，將一臺傳導(dǎo)騷擾發(fā)射和輻射騷擾發(fā)射同時超標(biāo)的產(chǎn)品進(jìn)行有效的整改，整改后0.15～ 70 MHz頻段范圍內(nèi)輻射騷擾幅值顯著降低，超標(biāo)頻段降幅達(dá)20 dB，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對周期性工作的高分貝喇叭進(jìn)行整改研究，總結(jié)了針對涉及開關(guān)電源的輻射騷擾發(fā)射整改方法：首先分析電磁干擾產(chǎn)生的源頭和成分，包括共模騷擾和差模騷擾，并比較其與法規(guī)限值的裕量；其次根據(jù)上述分析，設(shè)計濾波電路，需要滿足衰減值、泄露電流安全范圍以及諧振頻率等要求；最后根據(jù)產(chǎn)品的實際情況對濾波電路的各部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。在優(yōu)化調(diào)整中需要適當(dāng)考慮共模扼流圈的線圈間和線圈內(nèi)的寄生電容。