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研究院

0 引言

隨著科學技術的發展，開關電源的功率密度不斷提高，已廣泛應用于各種電子電氣設備中。與傳統的線性調節式穩壓電源相比，開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等優點，成為各種電源系統的重要部分。目前高度復雜的開關電源（SMPS）的工作效率為85%或更高，單位功率密度達到每立方厘米幾十瓦。但是開關電源的突出問題在于會產生較強的電磁干擾。這種干擾具有較高的輻射幅值和較高諧波頻率，可能會超過相關標準的限值范圍，影響周圍的電磁環境。先前的研究表明，開關電源模塊的開關電源晶體管方波的上升、下降時間通常在微秒或納秒級別，在線性區域花費時間極少，具有較高的du/dt和di/dt，會產生較高頻率的共模噪聲和差模噪聲[1]。此外，由于周圍電路串擾耦合，使產品的電磁騷擾發射情況更為復雜。對于任何涉及開關電源的產品，開關電源模塊都是其對外產生電磁干擾的重要原因之一。

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

1 試驗

1.1 整改前傳導和輻射騷擾檢測結果

按照CISPR 11：2015 1組A類限值要求，對研究中的高分貝喇叭進行傳導騷擾和輻射騷擾檢測。傳導騷擾檢測結果如圖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果,其中深色曲線和淺色曲線分別為峰值和平均值預掃結果，深色和淺色菱形標識為限值要求的準峰值和平均值。輻射騷擾檢測結果如圖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果，其中曲線為峰值預掃結果，“X”型標識為限值要求的準峰值。從結果可知，研究中高分貝喇叭的主要發射頻率范圍為0.15～70 MHz。騷擾信號為窄帶噪聲及其諧波。先前的研究表明，開關電源在0.15～1 MHz的頻率范圍內，騷擾主要以共模形式存在；在1～10 MHz頻率范圍內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，而產生差模騷擾的原因則在于開關管的開關動作[3]。

圖1 高分貝喇叭整改前傳導騷擾檢測結果

圖2 高分貝喇叭整改前輻射騷擾檢測結果

對產品的電路進行分析，結合輔助噪聲電壓和電流測量及近場探頭測量，結果顯示，傳導和輻射騷擾發射超標的主要源頭在于喇叭的開關電源模塊[4,5,6]。為了產生高分貝的聲音輸出，開關電源的場效應晶體管會產生大量的熱量。而場效應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（主要是寄生電容）對傳導和輻射騷擾發射具有重要的影響。研究發現，產生傳導騷擾和輻射騷擾的主要源頭是相同的，只要處理好傳導部分的騷擾超標問題，輻射騷擾超標的問題就會相應解決。

根據先前對開關電源的共模和差模騷擾發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，開關電源的共模和差模騷擾電壓幅值包絡圖相似，如圖3所示[2]。發射在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，但是兩者發射幅值的影響因素不同。先前研究結果表明，共模和差模騷擾的幅值分別依據式（1）和式（2）進行近似的計算。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 開關電源的共模或差模騷擾電壓幅值包絡隨頻率的變化關系

基頻共模傳導輻射幅度的表達式

式中：Vcm——共模騷擾電壓；

Vp——電壓源；

F0——開關電源基頻；

Cp——開關電源的寄生電容

基頻差模傳導輻射幅度的表達式

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騷擾發射和輻射騷擾發射，在不改變原電路設計的條件下，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結構。根據濾波電路的設計原則，首先設計共模濾波電路，然后由共模扼流圈的泄露電感設計差模濾波電路，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。根據上述分析，進行試驗驗證和參數優化，濾波電路設計如圖4所示，用以改善傳導和輻射騷擾。

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致的泄露電感，引入了L2和L3兩個差模電感。為實現差模濾波，引入0.1 μF X電容。出于對電容放電的安全考慮，并聯一個1 MΩ電阻。考慮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 整改后傳導和輻射騷擾檢測結果

在電源輸入端引入濾波電路后，對高分貝預警喇叭的傳導騷擾和輻射騷擾進行檢測。傳導騷擾檢測結果如圖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果，其中深色曲線和淺色曲線分別為峰值和平均值預掃結果，深色和淺色菱形標識為限值要求的準峰值和平均值。輻射騷擾檢測結果如圖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果，其中曲線為峰值預掃結果，“X”型標識為限值要求的準峰值。從檢測結果可知，通過整改的高分貝預警喇叭的傳導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，超標頻段實現了20 dB以上的衰減。綜上所述，接入濾波電路后產品的電磁干擾發射得到了顯著的改善，符合標準要求。

圖5 整改后傳導騷擾檢測結果

2 結語

通過對開關電源導致的電磁騷擾發射機理進行分析，針對研究中的高分貝喇叭的傳導和輻射發射進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，將一臺傳導騷擾發射和輻射騷擾發射同時超標的產品進行有效的整改，整改后0.15～ 70 MHz頻段范圍內輻射騷擾幅值顯著降低，超標頻段降幅達20 dB，符合標準要求。通過對周期性工作的高分貝喇叭進行整改研究，總結了針對涉及開關電源的輻射騷擾發射整改方法：首先分析電磁干擾產生的源頭和成分，包括共模騷擾和差模騷擾，并比較其與法規限值的裕量；其次根據上述分析，設計濾波電路，需要滿足衰減值、泄露電流安全范圍以及諧振頻率等要求；最后根據產品的實際情況對濾波電路的各部分參數進行調整優化。在優化調整中需要適當考慮共模扼流圈的線圈間和線圈內的寄生電容。