PWM方波边沿时间对机动车流量输出调节系统电磁辐射发射的影响*

王中 赵士桢 郑拓 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

0 引言

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术具有控制简单等优点，广泛应用于机动车零部件领域，包括流量输出调节、灯光强度调节以及电机转速调节等。PWM 控制技术在提高控制便捷性和能量利用率的同时，也带来了一些射频干扰问题，可能导致产品或系统辐射发射超标[1-3]。在机动车零部件领域，不同类型的产品采用不同频率，通常为十赫兹到几千赫兹。根据负载状态，占空比可在0～100%内进行调节。理想PWM 方波只有高值和低值，且变化时间极短，而由于波形发生系统硬件的局限导致实际应用的PWM 方波是边沿时间在纳秒至微秒级的梯形波，容易导致辐射发射超标[4-5]。由PWM 方波导致的辐射发射问题频率范围通常为0.1 ～5 MHz。此外，辐射发射问题也会因产品电路设计和测试背景噪声等因素导致差异。根据傅里叶变换结果，PWM 方波的频率增大，辐射发射场强幅值升高，占空比则会影响奇偶次谐波分量。在开关电源相关的研究中也发现不同的开关动作设计会导致产品辐射发射超标问题[6-8]。本研究针对PWM 方波的上升/下降沿和电压幅值这两个参数可能导致的辐射发射问题进行理论分析，并结合一款PWM 控制的流量输出调节系统进行实验验证，说明PWM 方波对于辐射发射场强幅值的影响。

1 理论分析

图1 所示为一组PWM 方波参数示意图。其中，Vtop为高值；Vbase为低值；T为周期，单位为s。边沿时间tr和tf分别为上升沿时间和下降沿时间，通常在纳秒至微秒级。按照标准，定义电压幅值的10%～90%变化时间作为边沿时间。PWM 方波的频率用F表示，单位为Hz，值等于1/T，设置为100 Hz；PWM 方波的高值占空比用Duty表示，值等于t/T，设置为37%。相关研究表明方波的谐波分量可以扩展到无穷多，但是当频率越过1/πtr之后，谐波能量的影响可以忽略，即傅里叶系数中由-20 dB/dec 转变为-40 dB/dec 的转折点[9]。由于不同产品的电路设计和在信号输出输入时导致的滤波措施差异，PWM 方波边沿时间对辐射发射的影响还需要结合具体的产品电路特征进行分析。

图1 PWM 方波参数示意图

根据电磁兼容理论，高速的电压或电流变化是导致辐射发射的重要原因。采用的PWM 方波的边沿时间范围为0.01～100 μs。图2 所示为PWM 方波及其对应的电压变化速率（du/dt）示意图。采用示波器对PWM 发生器边沿时间为0.01～100 μs 的PWM 电压时间变化速率最大值进行统计，每种边沿时间采样测试10 次，结果如表1 所示。从表1中可知，随着边沿时间从10 ns 逐渐延长至100 μs，电压时间变化率的最大值也相应降低，从10 ns 对应的（2.7±0.3）GV/s 逐渐降低至100 μs 对应的（168.0±7.4）kV/s。可见边沿时间对电压变化速率影响非常明显。

表1 PWM 方波边沿时间与电压幅值变化速率最大值对应关系（n=10）

图2 PWM 方波边沿时间及电压变化速率

2 PWM边沿时间对辐射发射的影响

采用的PWM 方波参数Vtop为（10±0.1）V，Vbase为参考电平±0.1 V，F为（100.0±0.5）Hz，Duty为（37.0±0.5）%，上升/下降沿时间分别设置为10 ns、100 ns、500 ns、2.5 μs、10 μs、20 μs、50 μs和100 μs，偏差小于20%。测试布置按照CISPR 25:2021 第6.5 节中零部件辐射发射的测试布置要求实施。根据理论分析和前期实验验证，辐射发射场强幅值具有显著差异的频率范围约为0.1 ～ 5 MHz。实验中，射频接收机在最大值保持的状态下，在0.1 ～5 MHz 频率范围内进行20 次扫描，结果如图3 所示。其中图3（a）和图3（b）分别为上述8 种边沿时间和测试环境本底噪声的峰值和平均值测试结果，横坐标为频率，单位为Hz；纵坐标为辐射发射场强幅值，单位为dB（μV/m）。定义场强幅值差小于3 dB，为无显著性差异；场强幅值差大于3 dB 为有显著性差异；场强幅值差大于6 dB 为有极显著性差异。

图3 不同PWM 边沿时间条件下的辐射发射测试结果

图3（a）为流量输出调节系统在不同边沿时间条件下的辐射发射场强峰值结果。从图3（a）中可知，在0.1～5 MHz 的频率范围内，随着频率增大辐射发射场强幅值总体上呈逐渐降低趋势，符合上文中的理论分析结果。随着边沿时间的逐渐延长，辐射发射场强幅值总体上呈逐渐降低趋势，在100 kHz 处不同边沿时间的结果差异最为明显。在100 kHz 处，10 ns、100 ns 和500 ns 对应的辐射发射场强幅值的最大值约为60 dB（μV/m），在大约500 kHz 处开始出现差异，且1 MHz 处出现显著性差异。在100 kHz 处，与10 ns 的辐射发射场强峰值结果比较，2.5 μs 辐射发射场强峰值降低了6.2 dB；10 μs 辐射发射场强峰值降低了15.1 dB；20 μs 辐射发射场强峰值降低了18.9 dB；50 μs 和100 μs 均降低了30 dB 以上。而50 μs 和100 μs 之间测试结果无显著性差异。所有测试结果均高于测试环境本底噪声。

上述结果表明，当边沿时间在500 ns 至20 μs之间变化时，流量输出调节系统的近场辐射场强峰值呈现显著变化。在1.5～5 MHz，峰值的波动与流量输出调节系统的电机工作状态有关，受PWM 方波的影响较小。

图3（b）为流量输出调节系统在不同边沿时间参数条件下的辐射发射场强平均值。图3（b）结果显示，在0.1～5 MHz 的频率范围内，随着频率增大辐射发射场强平均值呈现逐渐降低的趋势，且均高于测试环境本底噪声。10 ns 至100 μs 测试结果的主要差异表现在100～400 kHz 之间。在100 kHz 处，不同边沿时间参数的测试结果呈现极显著差异。10 ns对应的最大辐射发射场强平均值为35.9 dB（μV/m）。而随着边沿时间从10 ns 逐渐延长至100 μs，辐射发射场强平均值总体上逐渐降低。与10 ns 测试结果比较，100 ns 和500 ns 辐射发射场强平均值没有显著性差异；2.5 μs 辐射发射场强平均值降低3.5 dB；10 μs 辐射发射场强平均值降低8.4 dB；20 μs、50 μs和100 μs 辐射发射场强平均值降低了约12.9 dB，且20 μs、50 μs 和100 μs 测试结果之间总体上不具有显著差异。当高于0.9 MHz 后，辐射发射场强平均值的波动与流量调节系统的电机工作状态密切相关。

由上述结果可知，PWM 方波的边沿时间参数对流量输出调节系统的电磁辐射发射的场强幅值具有明显影响，其中0.5 ～ 20 μs 范围内测试结果的差异最为显著。辐射发射峰值测试结果最大差异高达30 dB，平均值检测最大差异约12.9 dB。

在上述研究中，PWM 方波的电压幅值是固定的，调节上升/下降沿时间会导致du/dt发生明显的变化。通过示波器采集，结果显示du/dt值由（2.7±0.3）GV/s 逐渐降低为（168.0±7.4）kV/s，相差约10 000 倍。这与先前研究中du/dt会影响辐射发射场强幅值的结论是一致的。

3 PWM电压幅值对辐射发射的影响

针对PWM 电压幅值对流量输出调节系统的影响进行分析。采用的PWM 方波的Vtop参数分别设置为16 V、13.5 V、10 V 和5 V，边沿时间选择上述研究中最容易出现显著变化的2.5 μs，实际波形输出为（2.5±0.1）μs，其他参数设置同上节。其测试结果如图4（a）和图4（b）所示，其中图4（a）为峰值测试结果，图4（b）为平均值测试结果，测试环境本底噪声为仅输入10 V PWM 方波的测试结果。从图4（a）中可知，四种电压幅值条件下的峰值测试结果均高于测试环境本底噪声，且在0.1～1.5 MHz 的场强幅值测试结果没有显著性差异。在100～600 kHz范围内，不同PWM 方波电压幅值条件下的辐射发射场强幅值与PWM 本底噪声没有显著性差异。从600 kHz 开始，四种电压幅值条件下的峰值测试结果与PWM 本底噪声出现显著性差异。上述结果表明辐射发射峰值测试结果主要受PWM 方波的影响。从图4（b）中可知，四种PWM 电压幅值条件下的平均值测试结果均高于测试环境本底噪声，且在100～800 kHz频率范围内，没有显著性差异。在100～400 kHz，四种PWM 电压幅值条件下的平均值测试结果与PWM本底噪声也没有显著性差异。从400 kHz 开始出现显著差异，四种电压幅值条件下的峰值测试结果与PWM 本底噪声出现显著性差异。

图4 不同PWM 电压幅值条件下的测试结果

综上所述，PWM 方波电压幅值对于流量输出调节系统的影响较小，峰值在0.1 ～ 1.5 MHz 之间没有显著性差异；平均值在100 ～ 800 kHz 内没有显著性差异。

上述结果表明，PWM 方波的电压幅值对流量输出系统辐射发射场强幅值的峰值和平均值影响较小，在PWM 影响的频率范围内没有呈现显著性差异。

采用示波器通过PWM 方波的上升/下降沿读取电压幅值变化速率最大值du/dt，读取10 次进行结果统计，如表2 所示，最大差异不足4 倍。而与表1 中电压幅值变化速率相差了10 000 倍的差值相比，产生显著性差异，最大差值约30 dB。此外，在PWM 方波电压幅值的调节范围有限，不会导致较大的du/dt变化。PWM 导致流量输出调节系统辐射发射场强幅值变化的主要因素在于边沿时间。

表2 不同电压幅值＊与电压幅值变化速率最大值对应关系（n=10）

4 结语

通过对PWM 方波导致的辐射发射的机理进行分析，结合一款流量输出调节系统进行实验验证，结果表明PWM 方波边沿时间在0.01～100 μs 内，PWM 导致的流量输出调节系统在0.1～5 MHz 的频率范围内会产生影响，具有显著性差异的频率范围约为0.1～1.5 MHz。边沿时间在0.01～100 μs 内，随着边沿时间的逐渐延长，辐射发射峰值和平均值逐渐降低。边沿时间为10 ns 和100 μs 的结果显示，电压变化速率du/dt的最大值的差值达到了10 000 倍，峰值最大差异达到了30 dB，平均值最大差异达到了12.9 dB。而对电压幅值为16 V、13.5 V、10 V 和5 V的PWM 方波进行比较，PWM 方波的电压幅值对流量输出调节系统辐射峰值和平均值的测试结果均没有显著性差异。仅输入边沿时间为2.5 μs 的方波后，对环境噪声产生了明显影响，这也说明PWM 方波对流量输出调节系统的辐射发射场强幅值产生了明显的影响。

综上所述，PWM 方波幅值相同条件下，边沿时间（0.01～100 μs）变化对系统的辐射发射峰值和平均值产生显著影响；而在边沿时间（2.5 μs）条件下，辐射发射峰值和平均值没有显著性差异。由于PWM的边沿时间调节范围较大，容易产生较高的du/dt值，是产生高场强幅值辐射发射的主要原因。而在实际使用中，电压幅值的可调节范围较小，产生的du/dt值变化范围较小，对应的影响也较小。因此，边沿时间是导致流量输出调节系统的辐射发射峰值和平均值产生显著影响的主要因素。

目前相关标准及应用未针对PWM 方波的边沿时间进行明确的规定，不同产品的PWM 信号接收端的滤波电路具有差异，导致实际传输至电路中的信号也具有差异。因此，在保证控制信号有效识别的前提下，适当调整PWM 方波边沿时间是一种有效降低PWM 方波导致的辐射发射场强幅值的一种方法。