老人专用移动电源小电流供电模块 EMC 辐射测试摸底 依据 GB 9254 标准排查助听器 / 血糖仪供电辐射路径

标准依据与测试环境

1. GB 9254-2021 限值

• 传导骚扰（150kHz-30MHz）：Class B 限值为 150kHz-500kHz 准峰值 48dBμV，500kHz-30MHz 准峰值 40dBμV。

• 辐射发射（30MHz-1GHz）：3 米法测试限值为 40dBμV/m中国网络安全审查认证和市场监管大数据中心。低频段（150kHz-30MHz）的辐射问题可能通过传导路径转化为空间辐射，需结合传导测试结果综合分析。

2. 医疗设备抗扰度要求

• 助听器：抗扰度测试覆盖 26MHz-1GHz（3V/m），但低频段（如 150kHz-100MHz）未明确限值，需通过近场测试验证干扰耦合风险。

• 血糖仪：依赖微电流检测，对电源纹波敏感，低频传导噪声可能干扰模数转换精度。

干扰源定位与路径分析

1. 开关电源高频谐波

• 使用低频磁场探头（如 Hantek HN FP 系列，9kHz-50MHz）扫描 PCB，定位高辐射区域（如 MOSFET 漏极、电感周围）。

• 频谱分析仪设置准峰值检波器，重点监测 150kHz-100MHz 频段的谐波分量。

• 干扰机制：DC-DC 转换器的开关频率（通常 50kHz-2MHz）及其谐波（如二次谐波 100kHz、三次谐波 150kHz）通过 PCB 走线、电感磁芯或变压器漏感辐射。

• 排查方法：

2. PCB 布局缺陷

• 测量功率环路面积，要求小于 1cm²；使用差分探头检测环路电流谐波。

• 检查地平面完整性，避免跨分割走线。

• 功率环路面积过大（如输入电容→开关管→电感→输出电容路径），形成环形天线。

• 数字地与模拟地分割不当，导致地平面回流路径过长。

• 典型问题：

• 排查方法：

3. 输出线缆耦合

• 在输出端口串联共模电感（如 Wurth 744233，20mH@100MHz），测量辐射改善效果。

• 使用电流探头检测线缆共模电流，定位噪声注入点。

• 干扰机制：共模噪声通过 USB 线或电源线辐射，线缆长度接近干扰波长（如 100MHz 对应 3m）时形成谐振。

• 排查方法：

整改措施与验证

1. 干扰源头抑制

• 替换开放式电感为屏蔽型（如 TDK MMZ 系列），磁芯接地以减少漏磁。

• 输出端并联高频陶瓷电容（100nF X7R）与电解电容（470μF），形成多级滤波。

• 采用准谐振（QR）反激架构或扩频调制（SSFM），降低开关边沿 di/dt 和 dv/dt。

• 在 MOSFET 漏极并联 RC 吸收电路（如 100pF+100Ω），抑制高频振荡。

• 开关电源优化：

• 器件选型：

2. PCB 布局优化

• 将 MCU、时钟电路与模拟信号处理区域间距控制在 10mm 以上，中间设置地线隔离带。

• 晶振周围添加接地保护环，并通过多个过孔与地平面相连。

• 将输入 / 输出电容紧邻 DC-DC 芯片引脚，缩短环路长度至 5mm 以内。

• 使用内层完整地平面，功率地与信号地通过 0Ω 电阻单点连接。

• 功率环路设计：

• 敏感电路隔离：

3. 线缆与端口滤波

• 在 USB 端口并联 Y 电容（2200pF），串联共模电感（阻抗≥100Ω@100MHz）。

• 输出线缆套入铁氧体磁环（如 Fair-Rite 0443004401），多绕 2 圈以增强低频抑制。

• 共模抑制：

• 差分信号传输：若采用 I2C 或 SPI 通信，使用差分对走线并包地，降低共模辐射。

4. 屏蔽与接地

• 测试外壳与 PCB 地之间的阻抗，要求小于 0.1Ω；使用铜箔连接接口外壳与地平面，缩短噪声回流路径。

• 覆盖 DC-DC 模块，屏蔽罩与 PCB 地平面通过导电胶或过孔紧密连接，缝隙宽度小于 λ/20（如 100MHz 对应 1.5mm）。

• 金属屏蔽罩：

• 接地连续性：

测试验证与余量提升

1. 辐射发射测试

• 暗室环境：地面反射率＜-40dB，转台转速 1r/min，使用双锥天线（30MHz-200MHz）和对数周期天线（200MHz-1GHz）测试。

• 关键频点：重点验证 150kHz-100MHz 频段，确保辐射场强低于 GB 9254 限值（30MHz-1GHz 为 40dBμV/m），并预留≥6dB 余量中国网络安全审查认证和市场监管大数据中心。

2. 传导骚扰测试

• LISN 网络：使用 50Ω/50μH+5Ω 人工电源网络，测量电源线传导噪声，确保 150kHz-30MHz 频段符合 Class B 限值。

• 差模 / 共模分离：通过 LISN 分离干扰分量，针对性优化滤波电路（如增加差模电感或调整 X 电容）。

3. 医疗设备兼容性测试

• 使用电流钳在电源线上注入 150kHz-100MHz 干扰信号（如 10Vrms），监测助听器声音质量和血糖仪测试结果。

• 耦合注入：

• 近场耦合：将移动电源贴近助听器或血糖仪，距离 5cm，测试干扰阈值。

典型案例与经验

1. 案例 1：某移动电源 150kHz 辐射超标

• 更换为屏蔽电感，磁芯接地；在电感两端并联 100pF 电容。

• 优化功率环路，面积从 80mm² 降至 30mm²。

• 问题定位：DC-DC 芯片开关频率为 75kHz，二次谐波 150kHz 通过电感磁芯辐射。

• 整改措施：

• 效果：150kHz 辐射场强从 45dBμV/m 降至 32dBμV/m，余量达 8dB。

2. 案例 2：USB 线共模辐射超标

• 在 USB 端口增加共模电感（33mH）和 Y 电容（2200pF）。

• 线缆套入铁氧体磁环（内径 5mm，长度 15mm）。

• 问题定位：50MHz 共模噪声通过 USB 线辐射，线缆长度（1m）为波长的 1/6。

• 整改措施：

• 效果：50MHz 辐射场强从 42dBμV/m 降至 35dBμV/m，符合限值。

注意事项与设计建议

1. 器件选型优先级：

• 优先选择内置 EMI 滤波器的 DC-DC 芯片（如 TI TPS5430），减少外围元件数量。

• 电容优选 X7R 材质（温度稳定性好）和 MLCC（高频低 ESR）。

2. 热 - EMC 协同设计：

• 使用热成像仪检测电感、电容等发热元件，避免高温导致寄生参数变化引发 EMI 恶化。

• 功率器件下方设置散热过孔，作为接地过孔，增强屏蔽效果。