电竞便携移动电源 100W 高压供电电路 EMC 辐射预测试 按 EN 55032 标准评估电竞设备充电辐射兼容性

EN 55032 标准在 2.4GHz 频段的核心要求

1. 限值分类与测试距离

• Class B（家用设备）：10 米测试距离下，2.4GHz 频段属于 1-6GHz 高频段，辐射骚扰限值为峰值 70dBμV/m和平均值 50dBμV/m。若测试距离为 3 米，限值需等效换算为峰值 80dBμV/m（增加 10dB）。

• Class A（商用设备）：限值与 Class B 相同，但适用场景不同，需根据产品定位选择对应的限值标准。

2. 测试方法与设备配置

• 辐射发射测试：使用全电波暗室或开阔场，配备双锥天线（30-1000MHz）和对数周期天线（1-6GHz），扫描带宽覆盖 2.4GHz±100MHz。

• 干扰源定位：采用近场探头配合频谱仪，重点扫描开关管、电感、变压器等高频元件，定位辐射热点。

高压供电电路 2.4GHz 辐射干扰的根源分析

1. 开关电源的谐波辐射

• 开关频率谐波：100W 高压供电电路通常采用 LLC 或 QR 反激拓扑，开关频率多在 100-200kHz，其 24 次谐波（2.4-4.8MHz）可能通过寄生参数耦合至输出端。

• 电感与变压器：电感的高频磁场泄露和变压器的绕组寄生电容是主要辐射源，尤其在轻载或动态负载时更明显。

2. PCB 设计缺陷

• 环路面积过大：功率回路（MOS 管 - 变压器 - 输入电容）的物理尺寸若超过 10mm²，会形成高效辐射天线，实测表明环路面积压缩至 7.5mm² 以下可降低辐射 20dB 以上。

• 地平面分割：数字地与模拟地未有效隔离，导致地弹噪声通过共模路径辐射至 2.4GHz 频段。

3. 滤波与屏蔽不足

• 输入输出滤波：未使用 π 型滤波器（如差模电感 + X 电容）抑制传导噪声，导致高频成分通过线缆辐射。

• 元件布局：开关管、二极管等高速器件未与无线模块（如 Wi-Fi、蓝牙）保持至少 15mm 距离，引发近场耦合。

2.4GHz 辐射干扰的优化设计方案

（一）电路拓扑与元件选型优化

1. 开关频率调制

• 采用扩频技术（SSFM）使开关频率在 100-120kHz 范围内随机抖动，分散谐波能量，降低 2.4GHz 处的峰值辐射。

2. 电感与变压器设计

• 磁芯选择：优先使用铁硅铝（Kool Mμ）或纳米晶磁芯，降低高频损耗和磁场泄露。

• 绕制工艺：采用三明治绕法减少绕组间寄生电容，或在电感两端并联 RC 阻尼网络（如 10pF+6.8Ω）吸收 2.4GHz 噪声。

3. 功率器件选型

• 选用低 Q 值的 MOS 管和快恢复二极管，降低开关过程中的电压电流过冲，例如英飞凌的 CoolMOS 系列或 ROHM 的 SiC 二极管。

（二）PCB 布局与布线策略

1. 分区与隔离

• 功能分区：将电源模块（开关管、变压器）与无线模块（Wi-Fi 天线）划分为独立区域，通过接地隔离墙（间距≥2mm）和金属屏蔽罩（厚度≥0.3mm）减少耦合。

• 地平面设计：采用完整地平面，避免分割；电源地与信号地通过单点连接，减少地弹干扰。

2. 关键路径控制

• 功率环路：缩短 MOS 管到变压器的走线长度（≤10mm），线宽≥2mm，降低寄生电感。

• 高频信号线：时钟线、PWM 控制线采用差分对布线，且与射频线垂直交叉，避免平行耦合。

（三）滤波与屏蔽技术

1. 输入输出滤波

• π 型滤波网络：在电源输入端并联 10μF 电解电容（低频）+100nF 陶瓷电容（高频），串联 10mH 差模电感，抑制传导噪声。

• 共模滤波：在输出端增加共模电感（如 Coilcraft 的 CMD 系列），配合 Y 电容（470pF）滤除共模辐射。

2. 元件屏蔽

• 金属屏蔽罩：对变压器、电感等元件使用带接地引脚的屏蔽罩，焊接时确保与地平面紧密接触。

• PCB 屏蔽层：在电源模块顶层和底层铺设铜箔屏蔽层，通过密集过孔（间距≤1mm）连接至地平面。

预测试流程与整改验证

1. 辐射发射预测试

• 初扫：使用频谱仪在 30MHz-6GHz 范围内扫描，分辨率带宽（RBW）设为 1MHz，视频带宽（VBW）设为 3MHz，定位 2.4GHz 附近的超标频点。

• 细扫：对疑似超标点进行零扫（Zero Span），使用时域功率检测模式，测量持续时间≥120% 的长突发信号周期，获取jingque峰值。

2. 干扰源定位与整改

• 近场扫描：使用磁场探头（如 Narda 8500）扫描 PCB 表面，定位辐射热点。若发现电感附近场强超过 - 30dBμV/m，需增加 RC 阻尼网络或更换屏蔽电感。

• 整改验证：每次优化后重新测试，对比整改前后的辐射频谱，确保裕量≥6dB（建议目标裕量≥10dB）。

3. 合规性评估

• 终测试需在认证实验室进行，确保满足 EN 55032 Class B 限值，并提交测试报告作为 CE 认证依据。

典型案例与优化效果

某 100W 移动电源在 2.4GHz 处辐射超标 8dB（实测值 58dBμV/m，限值 50dBμV/m），通过以下措施整改后达标：

1. 电路优化：在电感两端并联 10pF 电容 + 6.8Ω 电阻，将 2.4GHz 辐射降低 12dB。

2. PCB 布局：压缩功率环路面积至 5mm²，调整 Wi-Fi 天线位置使其与电源模块间距增至 20mm，减少耦合 10dB。

3. 滤波增强：在输出端增加共模电感（10μH）和 Y 电容（470pF），降低共模辐射 6dB。

终测试结果为 42dBμV/m，满足 Class B 限值要求，裕量达 8dB。