一种周期性工作的高分贝喇叭电磁骚扰整改*

/上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着科学技术的发展，开关电源的功率密度不断提高，已广泛应用于各种电子电气设备中。与传统的线性调节式稳压电源相比，开关电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点，成为各种电源系统的重要部分。目前高度复杂的开关电源（SMPS）的工作效率为85%或更高，单位功率密度达到每立方厘米几十瓦。但是开关电源的突出问题在于会产生较强的电磁干扰。这种干扰具有较高的辐射幅值和较高谐波频率，可能会超过相关标准的限值范围，影响周围的电磁环境。先前的研究表明，开关电源模块的开关电源晶体管方波的上升、下降时间通常在微秒或纳秒级别，在线性区域花费时间极少，具有较高的du/dt和di/dt，会产生较高频率的共模噪声和差模噪声[1]。此外，由于周围电路串扰耦合，使产品的电磁骚扰发射情况更为复杂。对于任何涉及开关电源的产品，开关电源模块都是其对外产生电磁干扰的重要原因之一。

本文针对一种标准声音输出为（130±4）dB周期性高分贝喇叭的传导骚扰和辐射骚扰超标问题进行理论分析和试验整改，通过引入滤波电路进行整改优化，以符合标准要求。

1 试验

1.1 整改前传导和辐射骚扰检测结果

按照CISPR 11：2015 1组A类限值要求，对研究中的高分贝喇叭进行传导骚扰和辐射骚扰检测。传导骚扰检测结果如图1所示，其中图1（a）和图1（b）分别为电源两个极性的检测结果,其中深色曲线和浅色曲线分别为峰值和平均值预扫结果，深色和浅色菱形标识为限值要求的准峰值和平均值。辐射骚扰检测结果如图2所示，其中图2（a）和图2（b）分别为天线水平和垂直极化的检测结果，其中曲线为峰值预扫结果，“X”型标识为限值要求的准峰值。从结果可知，研究中高分贝喇叭的主要发射频率范围为0.15～70 MHz。骚扰信号为窄带噪声及其谐波。先前的研究表明，开关电源在0.15～1 MHz的频率范围内，骚扰主要以共模形式存在；在1～10 MHz频率范围内骚扰的形式为共模和差模共存；在10 MHz以上，骚扰的形式主要以共模为主[2]。产生共模骚扰的原因主要在于电源与地之间的寄生电容，而产生差模骚扰的原因则在于开关管的开关动作[3]。

图1 高分贝喇叭整改前传导骚扰检测结果

图2 高分贝喇叭整改前辐射骚扰检测结果

对产品的电路进行分析，结合辅助噪声电压和电流测量及近场探头测量，结果显示，传导和辐射骚扰发射超标的主要源头在于喇叭的开关电源模块[4,5,6]。为了产生高分贝的声音输出，开关电源的场效应晶体管会产生大量的热量。而场效应晶体管和金属散热片的距离非常近，因此，两者之间的分布参数（主要是寄生电容）对传导和辐射骚扰发射具有重要的影响。研究发现，产生传导骚扰和辐射骚扰的主要源头是相同的，只要处理好传导部分的骚扰超标问题，辐射骚扰超标的问题就会相应解决。

根据先前对开关电源的共模和差模骚扰发射的理论模型及等效电路的分析，在不考虑滤波电路寄生电容的影响条件下，开关电源的共模和差模骚扰电压幅值包络图相似，如图3所示[2]。发射在1/πtr之前的骚扰电压幅值平坦，之后按照20 dB/dec的速率下降，但是两者发射幅值的影响因素不同。先前研究结果表明，共模和差模骚扰的幅值分别依据式（1）和式（2）进行近似的计算。由式（1）和式（2）可知，共模骚扰电压的主要影响因素为对地的寄生电容Cp，而差模骚扰电压的主要影响因素为差模电流Ip。

图3 开关电源的共模或差模骚扰电压幅值包络随频率的变化关系

基频共模传导辐射幅度的表达式

式中：Vcm——共模骚扰电压；

Vp——电压源；

F0——开关电源基频；

Cp——开关电源的寄生电容

基频差模传导辐射幅度的表达式

式中：Vdm——差模骚扰电压；

LF——滤波电容的寄生电感；

IP——电流源

通过以上分析可知，在供电电压和开关电源基频F0确定的条件下，减小共模骚扰的有效手段为减小寄生电容Cp，而减小差模骚扰的有效手段为减小寄生电感LF。为了抑制高分贝喇叭的传导骚扰发射和辐射骚扰发射，在不改变原电路设计的条件下，首选的方法为在电源和样品之间引入滤波电路[7,8,9]。研究中滤波电路的设计必须能够提供10 dB以上的骚扰电压衰减。

1.2 滤波电路

通常电源线滤波电路是L-C结构。根据滤波电路的设计原则，首先设计共模滤波电路，然后由共模扼流圈的泄露电感设计差模滤波电路，并选择线对线电容值以提供所需要的衰减。此外还需要考虑泄漏电流要求。根据上述分析，进行试验验证和参数优化，滤波电路设计如图4所示，用以改善传导和辐射骚扰。

图4 滤波电路

滤波电路由三个0.1 μF的X电容C1、C2和C3，两个3 300 pF的Y电容C4、C5，一个5 mH的共模扼流圈L1，两个10 μH差模电感L2、L3，一个1 MΩ差模电阻R1以及一个10 mH的对地电感L4组成。

为实现共模滤波，引入5 mH共模扼流圈。为防止共模扼流圈的线圈间不完全耦合导致的泄露电感，引入了L2和L3两个差模电感。为实现差模滤波，引入0.1 μF X电容。出于对电容放电的安全考虑，并联一个1 MΩ电阻。考虑到泄漏电流的安全要求范围通常在0.25～5 mA，对地电容在满足需求的情况下尽可能小，这里选择为3 300 pF。此外，在Y电容对地端引入一个10 mH电感，以满足对地射频阻抗和泄露电流的安全要求。

1.3 整改后传导和辐射骚扰检测结果

在电源输入端引入滤波电路后，对高分贝预警喇叭的传导骚扰和辐射骚扰进行检测。传导骚扰检测结果如图5所示，其中图5（a）和图5（b）分别为电源两个极性的检测结果，其中深色曲线和浅色曲线分别为峰值和平均值预扫结果，深色和浅色菱形标识为限值要求的准峰值和平均值。辐射骚扰检测结果如图6所示，其中图6（a）和图6（b）分别为天线水平和垂直极化的检测结果，其中曲线为峰值预扫结果，“X”型标识为限值要求的准峰值。从检测结果可知，通过整改的高分贝预警喇叭的传导骚扰和辐射骚扰幅值显著降低。在0.15～70 MHz频段骚扰幅值显著降低，超标频段实现了20 dB以上的衰减。综上所述，接入滤波电路后产品的电磁干扰发射得到了显著的改善，符合标准要求。

图5 整改后传导骚扰检测结果

2 结语

通过对开关电源导致的电磁骚扰发射机理进行分析，针对研究中的高分贝喇叭的传导和辐射发射进行理论分析和试验整改。采用滤波电路抑制共模和差模骚扰，将一台传导骚扰发射和辐射骚扰发射同时超标的产品进行有效的整改，整改后0.15～ 70 MHz频段范围内辐射骚扰幅值显著降低，超标频段降幅达20 dB，符合标准要求。通过对周期性工作的高分贝喇叭进行整改研究，总结了针对涉及开关电源的辐射骚扰发射整改方法：首先分析电磁干扰产生的源头和成分，包括共模骚扰和差模骚扰，并比较其与法规限值的裕量；其次根据上述分析，设计滤波电路，需要满足衰减值、泄露电流安全范围以及谐振频率等要求；最后根据产品的实际情况对滤波电路的各部分参数进行调整优化。在优化调整中需要适当考虑共模扼流圈的线圈间和线圈内的寄生电容。