技術(shù)講座：LED燈泡的噪聲對(duì)策 - 全文

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2012-2-23 19:00:19 上傳

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　　修訂后的日本《電氣用品安全法》將從2012年7月開始施行。經(jīng)過此次修訂，LED燈泡也成為了該法規(guī)的適用對(duì)象。在幾項(xiàng)限制標(biāo)準(zhǔn)中，尤其引人關(guān)注的是關(guān)于電磁噪聲強(qiáng)度的限制。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了與白熾燈泡和燈泡型熒光燈相比電磁噪聲較大的LED照明器具，隨著修訂版《電氣用品安全法》的施行，必須采取嚴(yán)格的噪聲對(duì)策。本文將根據(jù)LED照明的現(xiàn)狀，就LED照明的噪聲種類、測(cè)評(píng)方法以及對(duì)策事例進(jìn)行分析。
　　起源于東日本大地震的供電不足問題使得人們的節(jié)電意識(shí)迅速高漲，LED照明器具和采用LED背照燈的液晶電視等節(jié)能產(chǎn)品正逐漸成為市場(chǎng)主流。LED照明器具方面，燈泡型、螢光管型、吊燈以及吸頂燈等已經(jīng)開始投入市場(chǎng)。
　　其中LED燈泡方面，不僅是知名照明廠商，新涉足廠商的產(chǎn)品也開始在家居用品店以低價(jià)銷售，LED燈泡市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大。
　　與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化及法規(guī)導(dǎo)入等旨在實(shí)現(xiàn)LED燈泡普及的環(huán)境也正在建立之中。此前，LED燈泡不在《電氣用品安全法》的適用對(duì)象之內(nèi)。因此，有些LED照明產(chǎn)品的電磁噪聲較大。這樣一來，如果將路燈的燈具由汞燈換成LED燈泡，就會(huì)引起電視和收音機(jī)的接收障礙。
　　白熾燈泡是內(nèi)部沒有電源電路的電阻性負(fù)載，因此不存在這類電磁噪聲問題。但換成LED燈泡后問題就凸現(xiàn)出來了。如果就這樣推進(jìn)LED照明的普及，家中會(huì)出現(xiàn)多處噪聲源。
　　因此在海外，LED照明器具與普通照明器具一樣，都要符合國際標(biāo)準(zhǔn)CISPR15（《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》），各國均出臺(tái)了基于該標(biāo)準(zhǔn)的限制規(guī)定。
　　日本也將開始啟用這種限制規(guī)定。從2012年7月開始，LED燈泡將成為《電氣用品安全法》的適用對(duì)象。其中還包括關(guān)于噪聲強(qiáng)度的規(guī)定（預(yù)定噪聲端子電壓的頻帶為526.5kHz～30MHz、噪聲功率的頻帶為30MHz～300MHz）。
　　無論《電氣用品安全法》是否施行，隨著LED照明市場(chǎng)的擴(kuò)大，與其他電子產(chǎn)品之間相互干擾的問題也是無法避免的。
　　LED燈泡的電磁噪聲源是其電源電路。由于LED燈泡的電源部在尺寸方面限制較為嚴(yán)格，因此需要用最少的元件實(shí)施電磁噪聲對(duì)策。尤其重要的是噪聲對(duì)策元件的選擇。因此，本文將以LED照明電源電路泄露的電磁噪聲種類及其測(cè)量方法、以及能有效抑制電磁噪聲的元件選擇方法為中心進(jìn)行分析。
　　噪聲電流有兩種模式
　　一般情況下，EMC（電磁兼容性：electro-magnetic compatibility）標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種電磁噪聲的測(cè)量，分別是輻射到空中的“輻射噪聲”和流經(jīng)電源線的“傳導(dǎo)噪聲（噪聲端子電壓）”（圖1）。噪聲電流中同時(shí)存在“差?！焙汀肮材！眱煞N模式的噪聲成分。差模噪聲是在信號(hào)線和地線之間產(chǎn)生的噪聲。而共模噪聲在是大地與信號(hào)線和大地與地線之間產(chǎn)生的噪聲，信號(hào)線和地線與大地之間的噪聲類型相同，即具有相同的相位和相同的振幅。

　　

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　　圖1：在LED燈泡中觀測(cè)到的電磁噪聲示例

　　EMC規(guī)定中定義了輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲兩種電磁噪聲的測(cè)量，LED燈泡也不例外。有的LED燈泡產(chǎn)品的噪聲超過了CISPR15的規(guī)定值（準(zhǔn)峰值：QP和平均值：AV）。
　　輻射噪聲的主要成分是共模噪聲（圖2（a））。這是因?yàn)?，該噪聲的電流環(huán)路面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模噪聲的電流環(huán)路面積。

　　

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　　圖2：電磁噪聲存在兩種模式

　　電磁噪聲有差模和共模兩種模式。輻射噪聲中主要是共模成分（a）。而傳導(dǎo)噪聲中，差模和共模兩種成分混合傳播的情況較多（b）
　　而在傳導(dǎo)噪聲中能觀測(cè)到差模和共模兩種成分（圖2（b））。如果是傳導(dǎo)噪聲，需要在掌握噪聲成分特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點(diǎn)采取對(duì)策。首先來介紹一下抑制傳導(dǎo)噪聲的方法。
　　區(qū)分電源的噪聲模式
　　傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量，一般利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，測(cè)量準(zhǔn)峰值*（QP值）和平均值（AV值，圖3（a））。利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)雖然能測(cè)量各電源線與大地之間的噪聲電壓，但由于差模噪聲和共模噪聲二者合在一起，分不清哪種噪聲模式是主體。

　　

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　　圖3：利用V型和Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量

　　在傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量中，一般針對(duì)電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量準(zhǔn)峰值和平均值（a）。在該測(cè)量中，差模噪聲和共模噪聲合在一起，難以分辨哪種噪聲模式是主體。而如果利用Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)，便于分辨噪聲模式的種類（b）。該電源網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)噪聲模式（Sym：差模，ASym：共模）測(cè)量其頻率特性。
　　*準(zhǔn)峰值：對(duì)電磁噪聲等進(jìn)行檢波時(shí)，用擴(kuò)大了檢波器時(shí)間常數(shù)的檢波方式測(cè)量的值。是最大值和平均值之間的值。電磁噪聲的準(zhǔn)峰值較大時(shí)，容易引起收音機(jī)接收障礙。與相同接收靈敏度的相關(guān)關(guān)系要比峰值強(qiáng)。
　　但如果采用“Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)”便可判斷噪聲模式的種類（圖3（b））。該電路網(wǎng)可以測(cè)量傳導(dǎo)噪聲中各噪聲模式的頻率特性。
　　這種頻率特性因產(chǎn)品類型而異。例如，LED燈泡、吊燈及大尺寸液晶電視之間的電磁噪聲頻率特性就有差別（圖4）。LED燈泡是以差模噪聲為主體，而LED吊燈是差模噪聲和共模噪聲混在一起。大尺寸液晶電視則以共模噪聲為主體。

　　

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　　圖4：噪聲成分因產(chǎn)品而異

　　電子產(chǎn)品的種類變了，噪聲成分的構(gòu)成也會(huì)變化。例如，LED燈泡主要是差模噪聲，LED吊燈中差模噪聲和共模噪聲混在一起（a，b）。而大尺寸液晶電視主要是共模噪聲（c）。
　　那么，為何不同產(chǎn)品的傳導(dǎo)噪聲噪聲成分會(huì)有特定的傾向？通過用電磁場(chǎng)分析模擬來分析這種傾向，就知道原因所在了。
　　噪聲模式取決于尺寸
　　傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。測(cè)量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。兩種標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，屏蔽室的基準(zhǔn)面與被測(cè)物體的距離要保持在0.4m，連接人工電源網(wǎng)絡(luò)和被測(cè)物體的電線長度為0.8m，被測(cè)物體設(shè)置在高0.8m的臺(tái)子上（圖5）。

　　

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　　圖5：傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行

　　本圖為傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量情形。該測(cè)量的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。具體的測(cè)量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等規(guī)格規(guī)定。
　　此時(shí)，共模噪聲會(huì)通過屏蔽室內(nèi)壁（金屬）與被測(cè)物體之間的分布電容流出。我們將這種情況模型化，然后利用電磁場(chǎng)模擬，分析了被測(cè)物體的尺寸與共模噪聲易流出性（共模阻抗）之間的關(guān)系。
　　我們通過電磁場(chǎng)模擬分析了尺寸各異的4種（5×5×5cm3，10×10×10cm3，20×20×20cm3，100×80×20cm3）對(duì)象物，分別計(jì)算出了通過人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測(cè)物體時(shí)的阻抗（圖6）。

　　

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　　圖6：噪聲模式取決于產(chǎn)品尺寸

　　利用尺寸各異的4種對(duì)象物進(jìn)行了電磁場(chǎng)解析模擬，計(jì)算出了從人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測(cè)物體時(shí)的共模阻抗（a）。根據(jù)結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室基準(zhǔn)面與被測(cè)物體的分布電容越大，共模路徑的阻抗就越低（b）。另外，頻率越高，共模阻抗越低（c）。
　　圖6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及將該阻抗換算成分布電容的值。
　　從利用電磁場(chǎng)模擬分析4種對(duì)象物的結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室內(nèi)壁與被測(cè)物體之間的分布電容越大。也就是說，產(chǎn)品尺寸越大，共模路徑的阻抗越低，共模噪聲的電流越容易流動(dòng)，該噪聲成分就越容易變大。
　　差模噪聲電流沿差動(dòng)方向流動(dòng)
　　傳導(dǎo)噪聲的對(duì)策分三種情況實(shí)施：①差模噪聲較大、共模噪聲較小時(shí)；②共模噪聲較大、差模噪聲較小時(shí)；③兩種噪聲都比較大時(shí)。
　　首先介紹一下①差模噪聲較大、共模噪聲較小時(shí)的對(duì)策。差模噪聲的電流在AC電源線上沿差動(dòng)方向流動(dòng)。因此，無法在普通的共模扼流圈上衰減。這是因?yàn)?，共模扼流圈?duì)于同相方向（共模）的電流會(huì)產(chǎn)生電感，但對(duì)于差動(dòng)方向（差模）的電流幾乎不產(chǎn)生電感。
　　因此，作為差模噪聲的對(duì)策，一般采用差模扼流圈和接在AC電源線兩端的電容器（以下簡稱“X電容”）。通過這兩個(gè)部件，在被測(cè)物體內(nèi)形成使流經(jīng)AC電源線的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（圖7（a））。

　　

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　　圖7：利用差模扼流圈和X電容抑制電磁噪聲

　　為抑制差模噪聲，利用差模扼流圈和X電容，在產(chǎn)品內(nèi)形成使流經(jīng)AC電源線的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（a）。如果是共模噪聲，一般使用Y電容來抑制噪聲，不過在照明產(chǎn)品的電源電路中，其效果不充分。因此通過在Y電容上追加共模扼流圈或僅利用共模扼流圈來抑制共模噪聲（b）。
　　利用差模扼流圈能提高AC電源線的阻抗，使噪聲電流不易流動(dòng)。然后在此基礎(chǔ)上，利用X電容降低AC電源線間的阻抗，使噪聲電流返回噪聲源。該方法可防止電磁噪聲傳導(dǎo)至產(chǎn)品以外。
　　扼流圈對(duì)策
　　接下來介紹②共模噪聲較大、差模噪聲較小時(shí)的噪聲抑制方法。在共模噪聲中，由于噪聲電流在AC電源線上沿同相方向（共模）流動(dòng)，因此即使在AC電源線兩端接入X電容也沒有作用。利用電容抑制噪聲時(shí)，采用引導(dǎo)噪聲電流流向大地的電容器（以下簡稱“Y電容”，圖7（b））。
　　不過，一般情況下利用Y電容降低共模噪聲的效果不明顯。因此，需要有效利用扼流圈。為提高AC電源線的阻抗、減少共模噪聲電流，將電感值較高的共模扼流圈或差模扼流圈接入電源的一次側(cè)。共模扼流圈針對(duì)流向同相方向的噪聲電流能獲得大阻抗，因此適用于共模噪聲對(duì)策。
　　利用混合扼流圈抑制噪聲
　?、鄄钅Ｔ肼暫凸材Ｔ肼暰容^大時(shí)，需要針對(duì)各類型的噪聲分別采取對(duì)策，這樣會(huì)導(dǎo)致所需元件增加，是造成成本上升和阻礙小型化的因素。
　　這種情況下，同時(shí)擁有共模扼流圈和差模扼流圈兩種功能的“混合扼流圈”最為有效。
　　混合扼流圈與相同尺寸的共模扼流圈具備相同程度的共模阻抗，和更高的差模阻抗（圖8）?；旌隙罅魅€備有扁平形狀的品種，可根據(jù)產(chǎn)品尺寸選擇。

　　

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　　圖8：混合扼流圈具備較高的差模阻抗

　　混合扼流圈不但具備與相同尺寸的共模扼流圈相同程度的共模阻抗，還具有更高的差模阻抗。
　　LED照明器具的電磁噪聲對(duì)策，關(guān)鍵在于電子元件的配置
　　以上是抑制源于電源部的傳導(dǎo)噪聲的方法概要。接下來將介紹LED照明器具電源部抑制噪聲的實(shí)例。
　　在LED照明器具的電源部，需要采取噪聲對(duì)策的部分大致有三處，分別是電源一次側(cè)整流前和整流后，以及電源二次側(cè)。
　　本文將介紹針對(duì)噪聲模式最容易凸顯部件效果的一次電源側(cè)整流前部分的對(duì)策。該部分相當(dāng)于上述AC電源線。
　　第一個(gè)要介紹的是LED吊燈的傳導(dǎo)噪聲對(duì)策。在探尋對(duì)策之前，必須正確測(cè)量傳導(dǎo)噪聲。
　　首先，只以X電容為對(duì)策元件，利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量了LED吊燈的傳導(dǎo)噪聲。經(jīng)測(cè)量確認(rèn)，在150k～10MHz的大頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生了噪聲（圖9）。

　　

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　　圖9：LED吊燈的傳導(dǎo)噪聲對(duì)策示例

　　本圖為LED吊燈的傳導(dǎo)噪聲對(duì)策示例。從圖中可知，元件的種類和配置不同，產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲的頻率特性也會(huì)變化。因此，利用X電容和混合扼流圈，是最有效而且元件個(gè)數(shù)最少的對(duì)策。
　　接下來，改用Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量各噪聲模式。在大頻率范圍內(nèi)發(fā)生了共模噪聲，而差模噪聲發(fā)生在1MHz左右的低頻帶范圍。也就是說，LED吊燈的傳導(dǎo)噪聲混合了兩種噪聲模式。
　　作為噪聲水平較高的共模噪聲對(duì)策，①安裝了標(biāo)準(zhǔn)的共模扼流圈（3mH）。這樣做雖然共模噪聲大幅衰減，但差模噪聲并沒有衰減，因此低頻帶范圍的電磁噪聲依然高于規(guī)定值。
　　注意對(duì)策元件的相互作用
　　為抑制低頻帶的電磁噪聲，②追加了差模扼流圈（2.2mH）。這樣雖然降低了差模噪聲，但L1和L2的噪聲大小出現(xiàn)了差異。由于只在L1側(cè)追加了差模扼流圈，因此只有L1側(cè)的噪聲減小了。
　　為了修正這種不均衡，我們③試著改變了X電容的位置。這樣一來，L1的噪聲增大了，L1和L2的噪聲大小變得基本一樣。但這并不能解決問題。因此，作為消除不均衡的其他方法，我們④恢復(fù)了X電容的位置，在L2中追加了差模扼流圈（2.2mH）。也就是說，在L1和L2中分別安裝了差模扼流圈。這次，不但L1和L2的噪聲大小基本相同了，而且全部大幅衰減。不過又出現(xiàn)了一個(gè)新問題，那就是1MHz附近的共模噪聲增加了。
　　估計(jì)原因是，差模扼流圈的電感與共模扼流圈自身分布電容的串聯(lián)共振導(dǎo)致1MHz附近的共模阻抗降低了。
　　如上所述，元件間的相互作用有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電磁噪聲增強(qiáng)。作為解決對(duì)策，有⑤采用混合扼流圈的方法。
　　通過采用混合型扼流圈，可獲得相當(dāng)于采用一個(gè)共模扼流圈和兩個(gè)差模扼流圈的效果。另外，在抑制元件間相互作用的影響的同時(shí)，還可削減元件個(gè)數(shù)。
　　差模噪聲占一大半
　　接下來介紹一下LED燈泡的對(duì)策事例。與LED吊燈一樣，在探尋對(duì)策之前先來確認(rèn)一下傳導(dǎo)噪聲的噪聲成分（圖10）。如上所述，LED燈泡由于尺寸較小，基本不會(huì)發(fā)生共模噪聲，發(fā)生的主要是差模噪聲。

　　

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　　圖10：LED燈泡的傳導(dǎo)噪聲對(duì)策示例

　　本圖為LED燈泡的傳導(dǎo)噪聲對(duì)策示例。通過在差模扼流圈外側(cè)配置X電容器，減小了L1和L2的傳導(dǎo)噪聲，其大小也基本相同。
　　與LED吊燈一樣，來驗(yàn)證一下各元件抑制噪聲的效果。首先，①在L1中追加了差模扼流圈（3mH），將X電容配置在該線圈的外側(cè)，這樣L1和L2的噪聲都減小了。L1和L2的噪聲大小也基本相同。
　　對(duì)LED燈泡來說，這就是有效的對(duì)策了。不過，我們又試著②在L1和L2中分別配備了差模扼流圈，這樣一來，與LED吊燈一樣，1MHz頻率的共模噪聲增大了。估計(jì)是因?yàn)榘惭b兩個(gè)差模扼流圈后，共模路徑的電感和噪聲電流流過路徑的共模電容發(fā)生了串聯(lián)共振。
　　如上所述，抑制噪聲的效果會(huì)因噪聲電流流過路徑的電容和電感與噪聲對(duì)策元件之間的相互作用而大幅變化。
　　片式磁珠對(duì)策
　　LED燈泡將從2012年7月開始成為《電氣用品安全法》的適用對(duì)象，因此本文還要介紹一下輻射噪聲的對(duì)策。此次，在差模扼流圈外側(cè)配置X電容的情況下，首先測(cè)量了LED燈泡的輻射噪聲（圖11）。結(jié)果顯示，在大頻帶范圍內(nèi)都產(chǎn)生了輻射噪聲，尤其是在100M～200MHz頻帶，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CISPR15的規(guī)定值。

　　

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　　圖11：LED燈泡的輻射噪聲對(duì)策示例

　　LED燈泡的輻射噪聲對(duì)策采用片式鐵氧體磁珠。該磁珠的位置不同，輻射噪聲的抑制效果也不同。
　　在輻射噪聲對(duì)策方面，為抑制共模輻射噪聲，采用了片式鐵氧體磁珠。由于只在L1側(cè)安裝該磁珠無法降低輻射噪聲，因此①在L1和L2兩條電源線中都安裝了鐵氧體片式磁珠。這樣雖然降低了輻射噪聲，但仍然大于規(guī)定值。
　　因此，我們改變了片式鐵氧體磁珠的配置。具體而言，②將安裝于X電容外側(cè)的磁珠移動(dòng)到了X電容內(nèi)側(cè)。由此進(jìn)一步降低了輻射噪聲，這次降到了規(guī)定值以下。也就是說，抑制輻射噪聲的效果因X電容和片式鐵氧體磁珠的位置不同而有所不同。
　　最佳配置因燈泡而異
　　抑制輻射噪聲的最佳元件配置因LED燈泡而異。在其他LED燈泡中，盡管采取了獲得出色結(jié)果的圖11的②那樣的配置，即在X電容內(nèi)側(cè)配置片式鐵氧體磁珠，但并未獲得同樣出色的效果。所以又將片式鐵氧體磁珠安裝到X電容外側(cè)，此時(shí)，輻射噪聲降到了規(guī)定值以下（圖12）。也就是說，對(duì)于每一個(gè)LED燈泡而言，即便使用相同的噪聲對(duì)策元件，其效果也是不同的。

　　

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　　圖12：根據(jù)LED燈泡改變?cè)渲?/p>　　不同的LED燈泡，抑制輻射噪聲的最佳元件配置不盡相同。例如，必須調(diào)整X電容和片式鐵氧體磁珠的位置關(guān)系。
　　所以，必須根據(jù)噪聲對(duì)策元件與其他元件的位置關(guān)系以及LED燈泡的性能參數(shù)，來改變?cè)肼晫?duì)策元件的選擇和安裝位置等。在開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)需要反復(fù)確認(rèn)噪聲對(duì)策元件的效果，然后根據(jù)確認(rèn)結(jié)果改變?cè)姆N類和配置。因此，為提高元件配置自由度，提前考慮圖案設(shè)計(jì)也是減輕EMC對(duì)策負(fù)荷的方法。
　　此次連同EMC的基本內(nèi)容一起，介紹了照明器具的傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲的對(duì)策。文中介紹的方法只是一部分。今后，為實(shí)現(xiàn)更出色的電磁噪聲對(duì)策，我們將繼續(xù)進(jìn)行各種對(duì)策元件的開發(fā)以及對(duì)策方法的提案等。
   （全文完，特約撰稿人：中島 克明：太陽誘電電子部件事業(yè)本部事業(yè)策劃管理部；床波 誠：太陽誘電開發(fā)研究所EMC中心；井狩 英孝：太陽誘電電子部件事業(yè)本部銷售策劃部）