控制LED驅動器的EMI

Frederik Dostal

如今，幾乎所有照明應用都使用LED。在相對較短的時間內，它們已成為照明的首選。然而，在大多數(shù)應用中，LED不能單獨實現(xiàn)其功能。LED 必須使用合適的電源運行。這種驅動電路自然應該盡可能高效，以降低能耗，這就是為什么開關模式電源主要用于此目的的原因。

對于所有電源，無論類型如何，都應考慮電磁兼容性。在LED燈的情況下尤其如此。隨著時間的推移，已經建立了各種測量標準， 評估， 和記錄 LED 燈產生的干擾.

不受控制的電磁干擾會產生嚴重后果。就在最近，我親身體驗了其中之一。我的電動車庫開門器上的一個舊的 E27 白熾燈泡燒壞了。在我用現(xiàn)代LED燈泡替換它后，燈又亮了。但是，我無法再用遙控器打開車庫門。因此，LED燈的輻射發(fā)射一定對車庫門的無線電電子設備造成了干擾。

開關模式電源產生的輻射部分傳導，部分輻射。因此，LED驅動器的電磁輻射可以通過電源線傳輸，也可以磁性或電容耦合到相鄰的電路段中。這些輻射通常不具有破壞性，但它們可能導致相鄰電路組件功能不正常。

因此，盡量減少產生的排放是有意義的，但在這方面必須滿足哪些要求？歐盟的所有電氣和電子產品都需要CE標志。CE標志證明產品符合歐盟安全，健康和環(huán)境保護規(guī)則。因此，允許在歐洲經濟區(qū)內運輸此類合規(guī)設備。在世界其他地區(qū)，還有其他與輻射發(fā)射有關的重要要求。例子包括UL，CSA等。

有許多專門與LED燈的安全性和排放相關的標準。一個主要的是CISPR 11。CISPR 代表 國際無線電干擾特別委員會。還有許多其他規(guī)則和法規(guī)，包括ISO，IEC，F(xiàn)CC，CENELEC，SAE等，都基于CISPR標準。

通過使用額外的供應線過濾器采取適當?shù)拇胧?，可以預測地減少傳導排放。這些濾波器設計用于解決共?；虿钅Ｔ肼?。通常在這里起作用的頻率范圍低于30 MHz。然而，開發(fā)這些過濾器并不是那么簡單。濾波器通常針對特定頻率范圍進行優(yōu)化。在其他頻率范圍內，寄生效應和由此產生的所用組件行為變化可能會導致問題。例如，濾波器可以很好地減少100 kHz開關模式電源產生的輻射。但是，電源通常會產生很寬頻率范圍的輻射，尤其是在10 MHz以上。在這里，針對100 kHz優(yōu)化的濾波器甚至可以通過寄生效應和諧振增加發(fā)射。

以這種方式無法預測地減少輻射發(fā)射。在這里，PCB走線的寄生電感和電容以及無源電路元件的能量含量起著決定性的作用。頻率范圍通常高于30 MHz，直至相應標準中規(guī)定的上限。減少這些輻射發(fā)射是非常困難的。它需要大量的經驗和背景知識。特別是在LED燈的驅動中，輻射發(fā)射水平可能非常高。通常驅動一串 LED。這種串聯(lián)電路通常需要在電路板上占用大量空間。因此，幾何布置具有天線的特性，并且產生的發(fā)射被特別有效地輻射。屏蔽電路是復雜、昂貴的，而且，在LED的情況下，甚至不可能，部分原因是所需的光無法穿過金屬板屏蔽。因此，解決方案在于僅產生少量的輻射發(fā)射。

在設計帶電源的LED燈泡時，請注意以下有關電磁兼容性的可能性：

在電源的所有輸入和輸出端添加濾波器，而不真正了解具體的排放。這通常會導致超大尺寸組件的高成本和更高的制造成本。

重復使用經過驗證的過濾器概念，而無需每次都調整過濾器。在這里，也可能會出現(xiàn)更高的組件成本，并且過濾器設計可能不是最佳的。

委托專家提供過濾器設計。為此，外部專家也必須在正確的時間到場。這也會導致額外的成本。

選擇已經設計為最小輻射和最佳EMC行為的開關穩(wěn)壓器IC。在這種情況下，需要最少的過濾或不需要過濾。

大多數(shù)LED驅動器是升壓轉換器。圖1顯示了此類轉換器的電路原理圖。升壓轉換器通常在輸入側具有較低的傳導輻射。輸入電流是非脈動的（藍色電流環(huán)路）。然而，在輸出側，由于脈沖電流流過反激二極管（紅色電流環(huán)路），因此存在非常高的發(fā)射。在導通期間（即接地開關導通時），電感充電，沒有電流流過反激二極管。在此時間段中為負載供電的總能量來自輸出電容。

圖1.升壓轉換器的電路圖，這是LED驅動器的一種非常常見的拓撲結構。

在圖1中，導通時間的電流以藍色顯示，關斷時間的電流以綠色顯示。電流在極短的時間內或開關轉換時間內發(fā)生變化的所有路徑在圖1中以紅色顯示。這些路徑在短短幾納秒內將其狀態(tài)從電流變?yōu)闊o電流。它們是關鍵路徑，必須設計得盡可能小和緊湊，以減少輻射發(fā)射。

由于創(chuàng)新而產生低得多輻射發(fā)射的開關穩(wěn)壓器IC最近已經問世。關鍵路徑的布置非常對稱，以至于產生的磁場由于電流的不同方向而在很大程度上相互抵消。

圖2.靜音切換器概念應用于具有相互抵消磁場的升壓轉換器。

圖 2 顯示了此拓撲的對稱排列。頂部紅色回路中產生的磁場與底部紅色回路中產生的磁場大小相同，但指向相反的方向。這會產生字段取消的效果。在ADI公司，該技術以靜音切換器的名義銷售。除了這項創(chuàng)新之外，所有關鍵線段的寄生電感都大幅降低，從而大大減少了輻射場。靜音開關拓撲利用功率晶體管的專有布局來實現(xiàn)這種磁消除效果。功率晶體管和升壓轉換器（熱回路）輸出電容之間的路徑長度決定了該磁場所涉及的電感。在靜音切換器 2 技術中，此路徑的長度大大縮短。這是通過所謂的倒裝芯片技術實現(xiàn)的。在這里，開關穩(wěn)壓器IC中的硅不是通過鍵合線連接到IC外殼，而是通過銅柱連接。這些支柱的電感要低得多。因此，對于相同的電流開關速度，電壓偏移要低得多，因此輻射發(fā)射水平也更低。因此，通過使用優(yōu)化的LED驅動器IC，很有可能大幅降低EMI。在某些情況下，甚至可以在不使用EMI濾波器的情況下保持在一定的EMI限值內。

具有極低輻射發(fā)射的實用電路如圖3所示。此處，LT3922-1 采用升壓電路工作。10 個 LED 鏈，電流為 333 mA，輸入電壓為 8 V 至 27 V。對于這個星座，開關是在2 MHz的開關頻率下完成的，產生的輻射最小。

圖3.靜音開關電源LED驅動器的示例電路經過優(yōu)化，可實現(xiàn)最小的輻射和最佳的EMC行為。

圖4顯示了圖3電路的平均輻射發(fā)射。紅線顯示了CISPR 25規(guī)范中的相應限制?？梢钥闯?，這個規(guī)范很容易滿足（下沖）。

圖4.圖 25 中 LT3922-1 的平均輻射 EMI （CISPR 3）。

專為低輻射而設計的 LED 驅動器（例如 LT3922-1）通常還提供激活擴頻頻率調制 （SSFM） 功能的選項。這可能不會減少產生的實際輻射，但它會在更寬的頻率范圍內傳播發(fā)射。通過這種方式，可以在各個EMC標準的測量中獲得更好的結果。LT3922-1 在分別設定的開關頻率和該值的 125% 之間提供了此功能。擴頻還可以在VHV和UHV頻段產生非常顯著的影響，將任何給定頻率的發(fā)射減少到影響無線電通信的水平以下。

與每個開關穩(wěn)壓器一樣，對于LED驅動器，電路板布局的設計非常關鍵。靜音切換器和靜音切換器 2 技術等現(xiàn)代創(chuàng)新有助于顯著改善 EMC 行為，但避免印刷電路板布局出現(xiàn)任何錯誤仍然很重要。正確放置傳導快速開關電流的關鍵元件對于最大限度地減少輻射發(fā)射尤其重要。這些路徑中應包含盡可能少的寄生電感。電流環(huán)路的設計也應盡可能緊湊。為了幫助成功考慮這些方面，LT3922-1 數(shù)據手冊等詳細文檔提供了有價值且清晰的信息。

當今的一些現(xiàn)代LED驅動器專門用于最大限度地減少電磁輻射。為此，他們使用了開關穩(wěn)壓器領域的一些關鍵創(chuàng)新，包括ADI公司的靜音開關和靜音開關2技術。使用這些IC進行設計時，符合EMI限制所需的工作量相對較低。

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