按摩椅功率骚扰抑制技术研究

史信荣，柯 进，梁新兴，王海涛，熊洋洋

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

按摩椅功率骚扰抑制技术研究

史信荣，柯 进，梁新兴，王海涛，熊洋洋

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

针对按摩椅系统模块工作时发射的电磁场功率骚扰超标时，易伤害人体健康及生活环境等难题，采用在线模块分离定位分析方法，研究按摩椅系统模块工作时电源、变压、主控、驱动、指示模块及MOS切换开关等电子电路工作时发射的电磁场功率骚扰。采取双级EMI滤波、电容滤波及磁环衰减等有效抑制电磁场功率骚扰，测试结果表明：按摩椅的功率骚扰得到有效抑制，并低于相关标准限值。该方法为有效提升电子电气产品的电磁兼容技术提供一定参考价值。

功率骚扰；共模骚扰；滤波器；抑制措施；在线定位

0 引 言

电磁环境，作为生态环境的重要组成部分，越来越受到人们的密切关注。电磁环境的破坏主要来源于电磁辐射，由于电磁辐射看不见、摸不着，涉及的相关专业知识较深，普通工作者对其了解不多，从而加重了人们对电磁辐射的心理恐慌。

电磁兼容是电子电气产品最为关心的课题[1-3]。随着人们生活节奏的日益加快，按摩椅作为医疗保健类家电产品[2]，也逐渐进了千家万户，它在给人们的生活带来方便、舒适的同时也存在着一定的风险，如：通电工作时可能会发射较强的电磁功率骚扰，这不仅会对附近的电子电气产品产生骚扰，同时也会对人体健康及生活环境造成一定的危害。尤其是当按摩椅系统中变压、逆变、继电器等模块及功率、电机开关切换等电子部件工作时，都将会产生一定的电磁骚扰（EMI）[4-6]。不仅如此，大量的医学试验显示：低频的工频电磁辐射可能引发中枢神经系统疾病，同时也可导致肿瘤和生殖系统的疾病；高频的电磁辐射可引发神经系统、血液循环系统、免疫系统、消化系统、生殖系统等人体系统不同程度的生理功能紊乱和生物学反应。目前，人们在实际工程中解决电磁骚扰的手段主要有3种：一是接地；二是屏蔽；三是采用电磁骚扰（EMI）滤波器来有效阻断传导电磁骚扰的[1]传输途径，由于空间所限，有效解决按摩椅模块电磁骚扰的常用方法就是滤波[6-8]技术。因此，研究如何抑制按摩椅的电磁骚扰对于提升电子电路设计能力具有重要的现实意义。

1 系统组成及测试布置

按摩椅主电路是由市电电网供电，经变压模块后多路输出，再经滤波后供多台直流电动机输入，主要由电源、变压模块、主控模块、驱动模块、指示模块等组成，如图1所示。其中，电源、变压模块主要为所有模块提供工作电源，使各功能模块正常工作；主控模块是按摩椅的中央控制模块，主要执行控制系统工作指令；指示模块主要告诉用户系统正在工作的状态。

图1 按摩椅模块

目前，国内外判断按摩椅的功率骚扰合格与否的依据为GB 4343.1——2009[2]及CISPR 16-1-3[3]，其测试布置统一如图2所示。其中，吸收钳是测试关键设备之一，由宽频电流变换器、宽频射频功率吸收体和受试设备引线的阻抗稳定器、吸收套筒组成，主要用于测试受试设备电源线的辐射骚扰功率和屏蔽电缆的屏蔽效能。接收机是用于接收来自引线辐射的功率电平，里面内置准峰值检波器与平均值检波器。

2 骚扰功率的确定及试验

一般频率超过30MHz时，骚扰能量通过辐射传播到骚扰器具。实验表明：骚扰能量主要是通过靠近器具的那部分电源引线和其他引线辐射的，因此采用器具所能馈给电源引线的功率来确定其骚扰能力。该功率几乎等于器具馈给环绕这些引线的一个合适的吸收装置（吸收钳）在吸引功率为最大值位置时的功率。

图2 按摩椅测试布置图

根据每个受试物体的测量数据，用式（1）计算骚扰功率。在每一频点，对应每个测量频率的最大测量电压U的骚扰功率P，由CISPR 16-1-3[3]第4章吸收钳校准程序得到的钳系数（CF）确定：

式中：P——骚扰功率，dB（pW）；

U——所测电压，dB/μV；

CF——吸收钳系数，在6dB衰减器条件下获得，dB（pW/μV）。

将图3按摩椅中的电源模块、变压模块、主控模块、驱动模块、指示模块等用连接线连接好，根据图2进行试验，试验结果如图4所示：起初在80MHz与100 MHz附近共2个频率点超越发射功率限值线，使用检波器重扫，发现仅100MHz附近的频率点超过平均（AV）限值线2.7dB，因此判为不合格，需要进行整改。

3 功率骚扰诊断定位及分析

图3 按摩椅主控模块PCB电路

图4 整改前，按摩椅的发射功率准峰值、平均值与频率的关系曲线

电磁场的应用问题归结为两大类：一是场的问题，即电磁波向远方传播（辐射发射）的机理；二是路的问题，即电磁场沿着导线传播（传导发射）的机理。麦克斯韦方程组告诉我们：随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁波辐射就是由于电场与磁场的互相作用所形成的波动，并以辐射方式传播。这就是场的问题。

按摩椅功率骚扰既有因按摩椅工作产生的电磁场沿导线传导发射，又有高频辐射传播现象发生。传导发射超标定位方法一般分为两种：一种是目测，根据电路设计经验，如电源、变压模块、电机等是常见的电磁骚扰源；二是采取模块法在线分析，逐一确定电磁骚扰并定位分析。为快速找到骚扰源，首先保持电源、变压模块正常工作，将驱动模块、主控模块、指示模块等仅保持工作模块之一独立工作，进而找到电磁骚扰源，最后经过反复在线测试分析，发现引起功率骚扰超标的具体原因：1）电压、变压模块因电压降落（du/dt）会引起电磁场的发射，致电磁骚扰功率超标；2）指示模块因存在MOS开关电路，工作时存在电流变化（di/dt），致其电磁骚扰功率发射超标。一般地，解决这类产品功率骚扰超标的常用手段为滤波技术。

4 整改电路措施

电磁场的传播分为传导发射、辐射发射两种。因此，电磁场功率骚扰超标处理技术为：首先通过加装滤波器，切断传导发射的路径，将骚扰信号衰减；其次通过串接对某个频率的电磁信号敏感的元器件如磁珠、磁环、多孔珠等，用于吸收该频率点过高的电磁信号。因此，结合理论与实践分析，一般采用以下3种技术手段：

1）电源模块是常见的骚扰源。开关电源的主要电路是由整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等组成。开关电源模块的骚扰一般分为两大类：一是开关电源内部元器件形成的骚扰；二是由于外界因素影响而使开关电源产生的骚扰。开关电源外部骚扰可以以“共模”或“差模”方式存在。骚扰类型可以在持续期很短的尖峰干扰到完全断电之间进行变化。其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等。为了抑制骚扰，首先选用了双级共模滤波器，目的就是有效降低电源产生的共模骚扰，整改后的电路如图5所示。图6是加装了双级共模滤波器的测试结果，可知按摩椅的功率骚扰明显降低。

图5 整改后的电路示意图

2）变压模块也是常见的骚扰源。n1U1I1=n2U2I2，由于变压模块既有电压的变化，也有电流的变化，按摩椅工作时，该模块势必会产生电磁场辐射致功率骚扰增强。考虑到实际空间，如图5所示，给变压模块线束加装磁环，用以吸收某频率点过高的电磁骚扰。图6表明，当变压模块线束加装磁环后，其功率发射骚扰值有所下降，但在100MHz附近，仍有一个频率点明显超标了。后经反复测试分析，因指示模块电磁骚扰过强所致。

3）功率开关切换会产生电磁骚扰。开关电路中常用NMOS与PMOS管，其中以NMOS管为主，原因是开关特性好，导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。在一个孤立的驱动电路中，无论是一个IC还是孤立元件的门驱动，这个电容必须放得很近，直接接在偏置端和地线间更好。与直接驱动应用电路中PWM控制器的旁路电容一样，在导通时它提供栅极驱动电流。如图5所示，在指示模块中MOS开关的偏置端和地线间增加一个路电容104P，用以滤除电路驱动时发射的高频信号引起的骚扰。测试结果如图7所示，发现离QP值的限值线还有2.0 dB差值，因此可判定为合格。

图6 加装滤波器后，按摩椅发射的功率准峰值、平均值与频率的关系曲线

图7 整改后，按摩椅发射的功率准峰值、平均值与频率的关系曲线

5 结束语

本文采用在线模块骚扰定位分析的方法，研究分析了按摩椅各组成模块工作时产生的电磁场功率骚扰，并提出了相应的有效改进措施，试验表明：电压（du/dt）、电流（di/dt）变化时，电源、变压模块工作时都会对电路产生共模骚扰，致其功率骚扰强度超标；MOS管作为切换开关，因其驱动时需要较大工作电流，也会产生辐射骚扰，因此常用滤波技术处理。此外，需要进一步研究组成模块工作时其他电子元器件产生的电磁骚扰，及其对其他模拟电路的影响。

[1]钱照明，陈恒林.电力电子装置电磁兼容最新研究进展[J].电工技术学报，2007，22（7）：1-11.

[2]GB 4343.1—2009家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第1部分：发射[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]CISPR 16-1-3 Specification forradio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-Part2-2：Methods of measurement of disturbances and immunity-Measurement of disturbance power[S].

[4]陈杰，杜正伟.CMOS反相器的电磁骚扰频率效应[J].强激光与粒子束，2012，24（1）：147-151.

[5]冯颖，张合，张祥金.脉冲激光引信发射接收模块的电磁骚扰[J].强激光与粒子束，2011，23（1）：249-254.

[6]郭攀锋，谭国俊，赵艳萍，等.开关电源传导EMI抑制技术探讨[J].微波学报，2010（S2）：73-75.

[7]Liu N，Yang Y G.A common mode and differential mode integrate EMI filter[C]∥IPEMC，2006.

[8]Shi X R，Liu Y A，He Q，et al.Novel dual-mpode circular patch bandpassfilter using CSRR slot type perturbation [J].Microwave and OpticalTechnology Letters，2010（55）：666-670.

Studies on suppression methods of power disturbance based on massage armchairs

SHI Xinrong，KE Jin，LIANG Xinxing，WANG Haitao，XIONG Yangyang
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Electromagneticcompatibilityisoneofimportantsubjectson electronicselectrical products.To protect human health and living environment，several techniques--EMI smoothing，capacitor filtering and magnet ring attenuation were proposed to suppress excessive electromagnetic field power disturbance emitted during the operation of massage armchair modules.Online moduleseparating and-positioning analysis were used for suppressing the electromagnetic field power disturbance emitted by power，voltage transformation，master control，driving，indicator and MOS modulesin massage armchairs.Testresultssuggestthatthe powerdisturbance ofmassage armchairs has been effectively improved and less than the limit value of relevant standards.This method is helpful to efficiently promote electromagnetic compatibility technology of electrical and electronic products.

disturbance power；common mode disturbance；filter；anti-interference method；online positioning

A

：1674-5124（2015）05-0017-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.005

2014-10-06；

：2014-12-27

广东省计量科学研究院院立项目（SCM201312）

史信荣（1978-），男，江西永新县人，博士，主要从事电磁计量测试及电磁兼容研究。