史信榮，柯 進(jìn)，梁新興，王海濤，熊洋洋

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

按摩椅功率騷擾抑制技術(shù)研究

史信榮，柯 進(jìn)，梁新興，王海濤，熊洋洋

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

針對按摩椅系統(tǒng)模塊工作時(shí)發(fā)射的電磁場功率騷擾超標(biāo)時(shí)，易傷害人體健康及生活環(huán)境等難題，采用在線模塊分離定位分析方法，研究按摩椅系統(tǒng)模塊工作時(shí)電源、變壓、主控、驅(qū)動(dòng)、指示模塊及MOS切換開關(guān)等電子電路工作時(shí)發(fā)射的電磁場功率騷擾。采取雙級EMI濾波、電容濾波及磁環(huán)衰減等有效抑制電磁場功率騷擾，測試結(jié)果表明：按摩椅的功率騷擾得到有效抑制，并低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。該方法為有效提升電子電氣產(chǎn)品的電磁兼容技術(shù)提供一定參考價(jià)值。

功率騷擾；共模騷擾；濾波器；抑制措施；在線定位

0 引 言

電磁環(huán)境，作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，越來越受到人們的密切關(guān)注。電磁環(huán)境的破壞主要來源于電磁輻射，由于電磁輻射看不見、摸不著，涉及的相關(guān)專業(yè)知識(shí)較深，普通工作者對其了解不多，從而加重了人們對電磁輻射的心理恐慌。

電磁兼容是電子電氣產(chǎn)品最為關(guān)心的課題[1-3]。隨著人們生活節(jié)奏的日益加快，按摩椅作為醫(yī)療保健類家電產(chǎn)品[2]，也逐漸進(jìn)了千家萬戶，它在給人們的生活帶來方便、舒適的同時(shí)也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，如：通電工作時(shí)可能會(huì)發(fā)射較強(qiáng)的電磁功率騷擾，這不僅會(huì)對附近的電子電氣產(chǎn)品產(chǎn)生騷擾，同時(shí)也會(huì)對人體健康及生活環(huán)境造成一定的危害。尤其是當(dāng)按摩椅系統(tǒng)中變壓、逆變、繼電器等模塊及功率、電機(jī)開關(guān)切換等電子部件工作時(shí)，都將會(huì)產(chǎn)生一定的電磁騷擾（EMI）[4-6]。不僅如此，大量的醫(yī)學(xué)試驗(yàn)顯示：低頻的工頻電磁輻射可能引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，同時(shí)也可導(dǎo)致腫瘤和生殖系統(tǒng)的疾病；高頻的電磁輻射可引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等人體系統(tǒng)不同程度的生理功能紊亂和生物學(xué)反應(yīng)。目前，人們在實(shí)際工程中解決電磁騷擾的手段主要有3種：一是接地；二是屏蔽；三是采用電磁騷擾（EMI）濾波器來有效阻斷傳導(dǎo)電磁騷擾的[1]傳輸途徑，由于空間所限，有效解決按摩椅模塊電磁騷擾的常用方法就是濾波[6-8]技術(shù)。因此，研究如何抑制按摩椅的電磁騷擾對于提升電子電路設(shè)計(jì)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)組成及測試布置

按摩椅主電路是由市電電網(wǎng)供電，經(jīng)變壓模塊后多路輸出，再經(jīng)濾波后供多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)輸入，主要由電源、變壓模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、指示模塊等組成，如圖1所示。其中，電源、變壓模塊主要為所有模塊提供工作電源，使各功能模塊正常工作；主控模塊是按摩椅的中央控制模塊，主要執(zhí)行控制系統(tǒng)工作指令；指示模塊主要告訴用戶系統(tǒng)正在工作的狀態(tài)。

圖1 按摩椅模塊

目前，國內(nèi)外判斷按摩椅的功率騷擾合格與否的依據(jù)為GB 4343.1——2009[2]及CISPR 16-1-3[3]，其測試布置統(tǒng)一如圖2所示。其中，吸收鉗是測試關(guān)鍵設(shè)備之一，由寬頻電流變換器、寬頻射頻功率吸收體和受試設(shè)備引線的阻抗穩(wěn)定器、吸收套筒組成，主要用于測試受試設(shè)備電源線的輻射騷擾功率和屏蔽電纜的屏蔽效能。接收機(jī)是用于接收來自引線輻射的功率電平，里面內(nèi)置準(zhǔn)峰值檢波器與平均值檢波器。

2 騷擾功率的確定及試驗(yàn)

一般頻率超過30MHz時(shí)，騷擾能量通過輻射傳播到騷擾器具。實(shí)驗(yàn)表明：騷擾能量主要是通過靠近器具的那部分電源引線和其他引線輻射的，因此采用器具所能饋給電源引線的功率來確定其騷擾能力。該功率幾乎等于器具饋給環(huán)繞這些引線的一個(gè)合適的吸收裝置（吸收鉗）在吸引功率為最大值位置時(shí)的功率。

圖2 按摩椅測試布置圖

根據(jù)每個(gè)受試物體的測量數(shù)據(jù)，用式（1）計(jì)算騷擾功率。在每一頻點(diǎn)，對應(yīng)每個(gè)測量頻率的最大測量電壓U的騷擾功率P，由CISPR 16-1-3[3]第4章吸收鉗校準(zhǔn)程序得到的鉗系數(shù)（CF）確定：

式中：P——騷擾功率，dB（pW）；

U——所測電壓，dB/μV；

CF——吸收鉗系數(shù)，在6dB衰減器條件下獲得，dB（pW/μV）。

將圖3按摩椅中的電源模塊、變壓模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、指示模塊等用連接線連接好，根據(jù)圖2進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：起初在80MHz與100 MHz附近共2個(gè)頻率點(diǎn)超越發(fā)射功率限值線，使用檢波器重掃，發(fā)現(xiàn)僅100MHz附近的頻率點(diǎn)超過平均（AV）限值線2.7dB，因此判為不合格，需要進(jìn)行整改。

3 功率騷擾診斷定位及分析

圖3 按摩椅主控模塊PCB電路

圖4 整改前，按摩椅的發(fā)射功率準(zhǔn)峰值、平均值與頻率的關(guān)系曲線

電磁場的應(yīng)用問題歸結(jié)為兩大類：一是場的問題，即電磁波向遠(yuǎn)方傳播（輻射發(fā)射）的機(jī)理；二是路的問題，即電磁場沿著導(dǎo)線傳播（傳導(dǎo)發(fā)射）的機(jī)理。麥克斯韋方程組告訴我們：隨時(shí)間變化的電場產(chǎn)生磁場，隨時(shí)間變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁波輻射就是由于電場與磁場的互相作用所形成的波動(dòng)，并以輻射方式傳播。這就是場的問題。

按摩椅功率騷擾既有因按摩椅工作產(chǎn)生的電磁場沿導(dǎo)線傳導(dǎo)發(fā)射，又有高頻輻射傳播現(xiàn)象發(fā)生。傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)定位方法一般分為兩種：一種是目測，根據(jù)電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如電源、變壓模塊、電機(jī)等是常見的電磁騷擾源；二是采取模塊法在線分析，逐一確定電磁騷擾并定位分析。為快速找到騷擾源，首先保持電源、變壓模塊正常工作，將驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊、指示模塊等僅保持工作模塊之一獨(dú)立工作，進(jìn)而找到電磁騷擾源，最后經(jīng)過反復(fù)在線測試分析，發(fā)現(xiàn)引起功率騷擾超標(biāo)的具體原因：1）電壓、變壓模塊因電壓降落（du/dt）會(huì)引起電磁場的發(fā)射，致電磁騷擾功率超標(biāo)；2）指示模塊因存在MOS開關(guān)電路，工作時(shí)存在電流變化（di/dt），致其電磁騷擾功率發(fā)射超標(biāo)。一般地，解決這類產(chǎn)品功率騷擾超標(biāo)的常用手段為濾波技術(shù)。

4 整改電路措施

電磁場的傳播分為傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射兩種。因此，電磁場功率騷擾超標(biāo)處理技術(shù)為：首先通過加裝濾波器，切斷傳導(dǎo)發(fā)射的路徑，將騷擾信號衰減；其次通過串接對某個(gè)頻率的電磁信號敏感的元器件如磁珠、磁環(huán)、多孔珠等，用于吸收該頻率點(diǎn)過高的電磁信號。因此，結(jié)合理論與實(shí)踐分析，一般采用以下3種技術(shù)手段：

1）電源模塊是常見的騷擾源。開關(guān)電源的主要電路是由整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等組成。開關(guān)電源模塊的騷擾一般分為兩大類：一是開關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的騷擾；二是由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾。開關(guān)電源外部騷擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖凇ｒ}擾類型可以在持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全斷電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等。為了抑制騷擾，首先選用了雙級共模濾波器，目的就是有效降低電源產(chǎn)生的共模騷擾，整改后的電路如圖5所示。圖6是加裝了雙級共模濾波器的測試結(jié)果，可知按摩椅的功率騷擾明顯降低。

圖5 整改后的電路示意圖

2）變壓模塊也是常見的騷擾源。n1U1I1=n2U2I2，由于變壓模塊既有電壓的變化，也有電流的變化，按摩椅工作時(shí)，該模塊勢必會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射致功率騷擾增強(qiáng)。考慮到實(shí)際空間，如圖5所示，給變壓模塊線束加裝磁環(huán)，用以吸收某頻率點(diǎn)過高的電磁騷擾。圖6表明，當(dāng)變壓模塊線束加裝磁環(huán)后，其功率發(fā)射騷擾值有所下降，但在100MHz附近，仍有一個(gè)頻率點(diǎn)明顯超標(biāo)了。后經(jīng)反復(fù)測試分析，因指示模塊電磁騷擾過強(qiáng)所致。

3）功率開關(guān)切換會(huì)產(chǎn)生電磁騷擾。開關(guān)電路中常用NMOS與PMOS管，其中以NMOS管為主，原因是開關(guān)特性好，導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。在一個(gè)孤立的驅(qū)動(dòng)電路中，無論是一個(gè)IC還是孤立元件的門驅(qū)動(dòng)，這個(gè)電容必須放得很近，直接接在偏置端和地線間更好。與直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路中PWM控制器的旁路電容一樣，在導(dǎo)通時(shí)它提供柵極驅(qū)動(dòng)電流。如圖5所示，在指示模塊中MOS開關(guān)的偏置端和地線間增加一個(gè)路電容104P，用以濾除電路驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)射的高頻信號引起的騷擾。測試結(jié)果如圖7所示，發(fā)現(xiàn)離QP值的限值線還有2.0 dB差值，因此可判定為合格。

圖6 加裝濾波器后，按摩椅發(fā)射的功率準(zhǔn)峰值、平均值與頻率的關(guān)系曲線

圖7 整改后，按摩椅發(fā)射的功率準(zhǔn)峰值、平均值與頻率的關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

本文采用在線模塊騷擾定位分析的方法，研究分析了按摩椅各組成模塊工作時(shí)產(chǎn)生的電磁場功率騷擾，并提出了相應(yīng)的有效改進(jìn)措施，試驗(yàn)表明：電壓（du/dt）、電流（di/dt）變化時(shí)，電源、變壓模塊工作時(shí)都會(huì)對電路產(chǎn)生共模騷擾，致其功率騷擾強(qiáng)度超標(biāo)；MOS管作為切換開關(guān)，因其驅(qū)動(dòng)時(shí)需要較大工作電流，也會(huì)產(chǎn)生輻射騷擾，因此常用濾波技術(shù)處理。此外，需要進(jìn)一步研究組成模塊工作時(shí)其他電子元器件產(chǎn)生的電磁騷擾，及其對其他模擬電路的影響。

[1]錢照明，陳恒林.電力電子裝置電磁兼容最新研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（7）：1-11.

[2]GB 4343.1—2009家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的電磁兼容要求第1部分：發(fā)射[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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]陳杰，杜正偉.CMOS反相器的電磁騷擾頻率效應(yīng)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2012，24（1）：147-151.

[5]馮穎，張合，張祥金.脈沖激光引信發(fā)射接收模塊的電磁騷擾[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011，23（1）：249-254.

[6]郭攀鋒，譚國俊，趙艷萍，等.開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI抑制技術(shù)探討[J].微波學(xué)報(bào)，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

廣東省計(jì)量科學(xué)研究院院立項(xiàng)目（SCM201312）

史信榮（1978-），男，江西永新縣人，博士，主要從事電磁計(jì)量測試及電磁兼容研究。