LED電源中電磁兼容性的設計方案

LED電源中電磁兼容性的設計方案

各類電源產(chǎn)品在設計階段均需兼顧電磁兼容性能，LED 燈具產(chǎn)品對此項要求尤為突出。歷經(jīng)行業(yè)發(fā)展，針對 LED 燈具電磁干擾的檢測、評定與存檔相關規(guī)范已陸續(xù)落地成型。

未經(jīng)管控的電磁干擾極易引發(fā)各類故障問題，近期我便遇到了相關實例：自家車庫電動開門器原配 E27 白熾燈損毀，更換新式 LED 燈泡后燈具可正常點亮，但車庫遙控開門功能徹底失效，由此能夠判定，LED 燈具向外輻射的電磁波干擾了車庫門配套無線電控模組。

開關電源的電磁輻射分為傳導騷擾與輻射騷擾兩類，LED 驅動電源產(chǎn)生的電磁干擾，既可經(jīng)由供電線纜傳導，也能依托磁耦合、容性耦合竄入周邊線路。這類干擾雖極少造成器件損毀，但極易致使鄰近電氣組件出現(xiàn)工作異常。

綜上，把產(chǎn)品電磁輻射控制在較低水平具備實際意義，而相關合規(guī)要求各區(qū)域均有明確規(guī)范。歐盟在售全品類電氣電子產(chǎn)品必須加貼 CE 標識，該標識代表產(chǎn)品滿足歐盟安全、健康及環(huán)保相關法令，唯有達標產(chǎn)品才可在歐洲經(jīng)濟區(qū)上市流通；全球其余地區(qū)也出臺了多項電磁兼容準入規(guī)范，典型代表有 UL、CSA 等認證標準。

針對 LED 燈具的安全性能與電磁干擾，現(xiàn)行配套標準品類繁多，CISPR 11 是其中核心規(guī)范之一，CISPR 即國際無線電干擾特別委員會。除此之外，ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE 等機構也參照 CISPR 基準，制定了各類衍生規(guī)章與行業(yè)準則。

加裝外接電源濾波器是抑制傳導發(fā)射的成熟方案，該器件能夠濾除線路中的共模噪聲與差模噪聲，適用頻段大多在 30MHz 以內(nèi)。不過濾波器的研發(fā)設計存在不小難度，多數(shù)產(chǎn)品僅針對特定頻段優(yōu)化，在其余工作頻段中，元器件寄生參數(shù)會改變器件固有性能，進而影響濾波效果。舉例來說，適配 100kHz 開關電源的濾波器可高效抑制該頻點輻射，但開關電源往往會在超寬頻段產(chǎn)生干擾，尤其 10MHz 以上高頻區(qū)間干擾突出，此時受寄生參數(shù)與諧振現(xiàn)象影響，該款濾波器反而會加劇電磁輻射。

PCB 布線、無源元器件自帶的寄生電感與寄生電容，是決定高頻輻射抑制效果的關鍵參數(shù)，30MHz 至標準限定上限區(qū)間的輻射騷擾整改難度偏高，需要設計者具備充足的行業(yè)經(jīng)驗與專業(yè)儲備。LED 驅動電源更是高頻輻射高發(fā)品類，產(chǎn)品普遍采用 LED 串聯(lián)驅動方案，串聯(lián)回路會占用大面積 PCB 空間，線路布局極易形成等效天線，大幅提升電磁波向外輻射效率；加之 LED 需要透光，無法采用金屬屏蔽罩做電路屏蔽，屏蔽方案成本高、落地難度大，因此從源頭削減輻射發(fā)射量是最優(yōu)解決思路。

在帶內(nèi)置電源的 LED 燈泡研發(fā)階段，可通過下述幾種方式優(yōu)化產(chǎn)品電磁兼容表現(xiàn)：

●在電源輸入、輸出端口統(tǒng)一加裝濾波器：在未明確產(chǎn)品實際干擾頻譜的前提下選型用料，容易選用規(guī)格冗余的元器件，拉高物料與生產(chǎn)成本。

●沿用成熟定型的濾波器方案，放棄針對性定制優(yōu)化：該做法同樣會帶來元器件成本偏高的問題，且濾波器無法貼合產(chǎn)品工況，濾波性能難以達到最優(yōu)。

●外包專業(yè)工程師定制濾波器：需要長期維系外部技術資源，會額外增加項目研發(fā)開支。

●優(yōu)先選用原生低輻射、電磁兼容指標優(yōu)異的量產(chǎn)開關穩(wěn)壓芯片：依托芯片自身優(yōu)良 EMC 屬性，可大幅縮減甚至省去外圍濾波器件。

市面上絕大多數(shù) LED 驅動采用升壓拓撲結構，圖 1 為升壓電路原理示意圖。升壓變換器輸入端傳導發(fā)射水平普遍偏低，輸入回路無脈沖式電流（圖示藍色電流環(huán)路）；但輸出端脈沖電流流經(jīng)續(xù)流二極管（圖示紅色電流環(huán)路），致使輸出側騷擾強度偏高。功率開關管導通期間電感儲能，續(xù)流二極管無電流通過，負載所需電能全部由輸出電容供給。

圖1.升壓轉換器電路圖，這是LED驅動器的十分常見拓撲

圖 1 里，導通階段的電流用藍色標注，關斷階段的電流用綠色標注。開關切換瞬間、電流在極短時段內(nèi)出現(xiàn)突變的全部線路，在圖 1 中統(tǒng)一標注為紅色。該類線路僅需數(shù)納秒，就能從導通載流狀態(tài)切換至斷電無流狀態(tài)，屬于電路關鍵走線。為削減輻射干擾，這類走線的布局需盡量精簡緊湊。

依托技術創(chuàng)新，現(xiàn)階段已有多款輻射指標遠優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品的開關穩(wěn)壓電源芯片推向市場。此類芯片的關鍵走線排布具備高度對稱性，不同流向的電流所產(chǎn)生的磁場可實現(xiàn)大面積相互抵消，以此抑制輻射發(fā)射。

圖2.應用于升壓轉換器，磁場相互抵消

圖 2 呈現(xiàn)器件呈對稱排布結構，頂部紅色環(huán)路與底部紅色環(huán)路各自生成的磁場幅值一致、極性相反，兩種磁場能夠相互抵消。除該項結構優(yōu)化設計外，各關鍵走線的寄生電感得到大幅削減，輻射場強度隨之明顯下降。該磁場抵消方案依托專屬功率晶體管排布結構落地，升壓轉換器內(nèi)部功率晶體管同輸出電容間的電流通路（熱環(huán)路）長度，是決定對應磁場關聯(lián)電感的核心因素。借助倒裝芯片工藝可實現(xiàn)該通路尺寸大幅縮短，開關穩(wěn)壓集成電路的硅晶圓摒棄傳統(tǒng)引線鍵合方案，改用銅柱與芯片外殼完成互連；銅柱自身具備更低電感參數(shù)。在開關電流速率維持一致的條件下，電路電壓擾動幅度顯著減小，輻射發(fā)射指標隨之降低。綜上，選用經(jīng)過結構優(yōu)化的 LED 驅動集成電路實現(xiàn) EMI 大幅抑制具備較高可行性，部分工況下電路無需增設 EMI 濾波器，即可滿足對應的 EMI 限定標準。

圖 3 為一款低輻射發(fā)射的落地應用電路實例，該電路輸入電壓區(qū)間 8V~27V，用于驅動由 10 顆 LED 串聯(lián)組成、額定工作電流 333mA 的燈串。該星型拓撲電路的開關工作頻率設定為 2MHz，整體輻射發(fā)射量被控制在極低水平。

圖3.驅動器電路示例

圖4顯示了圖3中電路的平均輻射發(fā)射。紅線顯示了CISPR 25規(guī)范中的相應限值?？梢钥闯觯艘?guī)范很容易達到（下沖）。

圖4.圖3中平均輻射EMI (CISPR 25)

低輻射LED驅動器，常常還提供激活擴頻調制(SSFM)功能的選項。這可能不會減少實際產(chǎn)生的輻射， 但它會將輻射分散到更寬的頻率范圍內(nèi)。這樣，對于各個EMC標準，測量中可以獲得更好的結果。在設置的開關頻率和該值的125%之間提供此功能。擴頻調制在VHV和UHV頻段中也會有非常顯著的影響，可將任何給定頻率的輻射降低到會影響無線電通信的水平之下。

像所有開關穩(wěn)壓器一樣，對于LED驅動器，電路板布局的設計也非常關鍵。正確放置傳導快速開關電流的關鍵元件，對于最大程度降低輻射發(fā)射尤其重要。這些路徑中產(chǎn)生的寄生電感應盡可能小。電流環(huán)路也應設計得盡可能緊湊。

當今的某些現(xiàn)代LED驅動器特別注重使電磁輻射最小化。