?有刷電機的RE整改

有刷電機高速旋轉時因電刷與換向器的之間的摩擦、疊加電流的通斷，會產生電火花，伴隨著較寬頻帶范圍內均有許多高頻窄帶干擾噪聲（毛刺），在我司以往的整改案例中可以明顯看到電火花對應的干擾噪聲在頻譜上的清晰顯示，詳情如下：

1. 比創達整改實例

如圖1為某手持式吸塵器產品（24V電池供電）的RE初始超標1dB，圖2為某窗簾電機（AC 220V供電）的RE初始超標7dB：

圖1 某吸塵器產品RE測試超標數據

圖2 某窗簾電機RE測試超標數據

從兩張頻譜圖中也可以看出在100MHz~1Ghz范圍內，均有許多毛刺（無刷電機的頻譜就比較順滑，參見上一篇推文），這個主要就是因為有刷電機的電刷與換向器之間高速摩擦及電流快速通斷產生的電火花導致（詳見第2節原理描述）。

兩個產品的RE頻譜還是有些微差別的，圖1的頻譜中毛刺雖然多但幅度不是很高，幅值超標主要還是因為一些大的包絡幅值較大（一般是電源模塊的噪聲）；圖2的包絡幅值較大，毛刺的幅值也較圖1更大；推測是窗簾電機產品相對吸塵器產品負載更大、功率也更大、相對的電流也會更大，在換向器切換時其di/dt也更大；所以對窗簾電機產品除了電源供電模塊、電機端也作了處理。最終二者整改后的結果如圖3、4所示：

圖3 吸塵器產品RE整改后的RE測試PASS數據

圖4 整改后的RE測試PASS數據

2. 有刷電機原理及其EMI噪聲源

有刷電機（顧名思義，它是有兩把刷子的），是通過電刷來與換向器的相對轉動、實現電流方向的自動切換、改變轉子線圈產生的感生磁場方向、相對永磁體定子產生連續的推拉作用、進而實現連續轉動：

如圖5，是一個簡易的單線圈+一對換向器瓣+電刷的相互作用示意圖，電刷相對換向器運動，在某一瞬間，電刷在換向器的縫隙處“白駒過隙”；換向器A瓣原本接電源正極（a電刷），經過縫隙后，A瓣與電源負極（b電刷）接觸，即實現了線圈中的電流方向切換，不管是基于左手定則還是右手螺旋定則、線圈中電流方向變化都會對應著線圈的感應磁場方向發生變化，所以若設置好線圈在換向器上的固定位置，就可以保證在電流換向的瞬間，線圈磁場方向剛好與定子磁場方向垂直，那就會實現定子磁極對線圈感生磁極的連續推拉。

圖5 有刷電機電流切換示意

因此，有刷電機的控制電壓/電流在切換瞬間理論上是不發生改變的，只是因為機械作用而實現了電氣換向。所以對有刷電機來說，除了供電模塊自身的AC-DC及DC-DC模塊產生的共模噪聲，有刷電機的噪聲主要來源就是電刷與換向器高速摩擦及電流快速切換產生的電火花/高頻噪聲。相應的有刷電機EMI設計整改措施也是針對這兩大類噪聲源進行處理：

圖6 電刷處產生的電火花示意

上面也從頻譜中分析了兩個產品頻譜的細微差別，最終也反應到了二者的整改措施上：

針對吸塵器產品，主要針對其DC-DC供電模塊做處理（如圖7）：

① 電機供電線纜套一個磁環（BTRC02TT057）

② 電機供電模塊輸出串LRC濾波器（BTREF3216A6R121）

③ 電感由普通非屏蔽電感換成一體式屏蔽電感

④電機供電模塊電感與SW腳之間對地加RC（10R/103）

圖7 吸塵器電機整改

針對窗簾電機，如圖8，除了對供電模塊做處理，還針對電機做了屏蔽處理（PCB板GND接電機外殼）：

① 在馬達供電線上串一個共模電感（BWMF702P102P3A）

② 在馬達供電線正負極上各串一個LRC濾波器 (BTREF3216A3R221）

③ 用銅箔把馬達驅動板的地與金屬外殼連接起來

圖8 窗簾電機整改

3.小結

• 有刷電機除了供電模塊產生的噪聲，另一主要噪聲源為電刷處產生的電火花帶來的高頻窄帶噪聲。

• 因電火花的高頻特性，針對其濾波措施要就近處理，即濾波器件需直接加在電機的電極處（量產可專門做插件小板），許多情況下電極端的有效措施加在PCB端就失去了作用。
  

• 若電機的驅動板直接貼在電極處，可以利用PCB的地平面作為一個屏蔽面與電極外殼構成一個較完整的屏蔽殼。