​有刷电机的RE整改

有刷电机高速旋转时因电刷与换向器的之间的摩擦、叠加电流的通断，会产生电火花，伴随着较宽频带范围内均有许多高频窄带干扰噪声（毛刺），在我司以往的整改案例中可以明显看到电火花对应的干扰噪声在频谱上的清晰显示，详情如下：

1. 比创达整改实例

如图1为某手持式吸尘器产品（24V电池供电）的RE初始超标1dB，图2为某窗帘电机（AC 220V供电）的RE初始超标7dB：

图1 某吸尘器产品RE测试超标数据

图2 某窗帘电机RE测试超标数据

从两张频谱图中也可以看出在100MHz~1Ghz范围内，均有许多毛刺（无刷电机的频谱就比较顺滑，参见上一篇推文），这个主要就是因为有刷电机的电刷与换向器之间高速摩擦及电流快速通断产生的电火花导致（详见第2节原理描述）。

两个产品的RE频谱还是有些微差别的，图1的频谱中毛刺虽然多但幅度不是很高，幅值超标主要还是因为一些大的包络幅值较大（一般是电源模块的噪声）；图2的包络幅值较大，毛刺的幅值也较图1更大；推测是窗帘电机产品相对吸尘器产品负载更大、功率也更大、相对的电流也会更大，在换向器切换时其di/dt也更大；所以对窗帘电机产品除了电源供电模块、电机端也作了处理。最终二者整改后的结果如图3、4所示：

图3 吸尘器产品RE整改后的RE测试PASS数据

图4 整改后的RE测试PASS数据

2. 有刷电机原理及其EMI噪声源

有刷电机（顾名思义，它是有两把刷子的），是通过电刷来与换向器的相对转动、实现电流方向的自动切换、改变转子线圈产生的感生磁场方向、相对永磁体定子产生连续的推拉作用、进而实现连续转动：

如图5，是一个简易的单线圈+一对换向器瓣+电刷的相互作用示意图，电刷相对换向器运动，在某一瞬间，电刷在换向器的缝隙处“白驹过隙”；换向器A瓣原本接电源正极（a电刷），经过缝隙后，A瓣与电源负极（b电刷）接触，即实现了线圈中的电流方向切换，不管是基于左手定则还是右手螺旋定则、线圈中电流方向变化都会对应着线圈的感应磁场方向发生变化，所以若设置好线圈在换向器上的固定位置，就可以保证在电流换向的瞬间，线圈磁场方向刚好与定子磁场方向垂直，那就会实现定子磁极对线圈感生磁极的连续推拉。

图5 有刷电机电流切换示意

因此，有刷电机的控制电压/电流在切换瞬间理论上是不发生改变的，只是因为机械作用而实现了电气换向。所以对有刷电机来说，除了供电模块自身的AC-DC及DC-DC模块产生的共模噪声，有刷电机的噪声主要来源就是电刷与换向器高速摩擦及电流快速切换产生的电火花/高频噪声。相应的有刷电机EMI设计整改措施也是针对这两大类噪声源进行处理：

图6 电刷处产生的电火花示意

上面也从频谱中分析了两个产品频谱的细微差别，最终也反应到了二者的整改措施上：

针对吸尘器产品，主要针对其DC-DC供电模块做处理（如图7）：

① 电机供电线缆套一个磁环（BTRC02TT057）

② 电机供电模块输出串LRC滤波器（BTREF3216A6R121）

③ 电感由普通非屏蔽电感换成一体式屏蔽电感

④电机供电模块电感与SW脚之间对地加RC（10R/103）

图7 吸尘器电机整改

针对窗帘电机，如图8，除了对供电模块做处理，还针对电机做了屏蔽处理（PCB板GND接电机外壳）：

① 在马达供电线上串一个共模电感（BWMF702P102P3A）

② 在马达供电线正负极上各串一个LRC滤波器 (BTREF3216A3R221）

③ 用铜箔把马达驱动板的地与金属外壳连接起来

图8 窗帘电机整改

3.小结

• 有刷电机除了供电模块产生的噪声，另一主要噪声源为电刷处产生的电火花带来的高频窄带噪声。

• 因电火花的高频特性，针对其滤波措施要就近处理，即滤波器件需直接加在电机的电极处（量产可专门做插件小板），许多情况下电极端的有效措施加在PCB端就失去了作用。
  

• 若电机的驱动板直接贴在电极处，可以利用PCB的地平面作为一个屏蔽面与电极外壳构成一个较完整的屏蔽壳。