LED電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容問(wèn)題解決方案

電磁兼容（EMC）是在電學(xué)中研究意外電磁能量的產(chǎn)生、傳播和接收，以及這種能量所引起的有害影響。電磁兼容的目標(biāo)是在相同環(huán)境下，涉及電磁現(xiàn)象的不同設(shè)備都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且不對(duì)此環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生難以忍受的電磁干擾之能力。習(xí)慣上說(shuō)，EMC包含EMI（電磁干擾）和EMS（電磁敏感性）兩個(gè)方面。

電磁干擾（EMI）是指任何在傳導(dǎo)或電磁場(chǎng)伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生會(huì)降低某個(gè)裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，或產(chǎn)生不良影響的電磁現(xiàn)象。

LED電源電磁干擾，工程師要考慮的主要方面有：電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)等。

對(duì)于設(shè)計(jì)LED電源的工程師來(lái)說(shuō)，電磁干擾問(wèn)題是一直存在于設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如何能解決這個(gè)問(wèn)題？我們先來(lái)看看影響電磁兼容的幾個(gè)因素。

一 影響EMC的幾個(gè)因素

(1)驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)

最初的LED電源就是線性電源，但是線性電源在工作時(shí)會(huì)以發(fā)熱的形式損耗大量能量。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，再經(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。雖然笨重，發(fā)熱量大，優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)外干擾小，電磁干擾小，也容易解決。

而現(xiàn)在使用比較多的LED開(kāi)關(guān)電源，都是以 PWM形式的LED驅(qū)動(dòng)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大;關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小，因此功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗也很小。缺點(diǎn)比較明顯的是，電磁干擾(EMI)也更嚴(yán)重。

(2)開(kāi)關(guān)頻率

LED電源的電磁兼容出現(xiàn)問(wèn)題一般是開(kāi)關(guān)電路的電源中。而開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源之一。

開(kāi)關(guān)電路是LED驅(qū)動(dòng)電源的核心，開(kāi)關(guān)電路主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。

這種高頻脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。

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導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;斷開(kāi)瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使部分能量沒(méi)有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，電路中形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。

高頻脈沖產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號(hào)產(chǎn)生更多的發(fā)射。在LED電源系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)，而當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。這就電磁干擾根源之一。

(3)接地

在所有EMC題目中，主要題目是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在開(kāi)關(guān)電路頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適宜高頻;在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的接地電路盡不能混合。

(4)PCB設(shè)計(jì)

適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。

(5)智能LED電源的復(fù)位電路設(shè)計(jì)

在LED電源中，有不少智能LED電源采用單片機(jī)控制，并且有的LED電源采用單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電路的占空比，單片機(jī)的看門(mén)狗系統(tǒng)對(duì)整個(gè)LED電源的運(yùn)行起著特別重要的作用，由于所有的干擾源不可能全部被隔離或往除，一旦進(jìn)進(jìn)CPU干擾程序的正常運(yùn)行，那么復(fù)位系統(tǒng)結(jié)合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯(cuò)防御的屏障了。常用的復(fù)位系統(tǒng)有以下兩種：

①外部復(fù)位系統(tǒng)。外部"看門(mén)狗"電路可以自己設(shè)計(jì)也可以用專(zhuān)門(mén)的"看門(mén)狗"芯片來(lái)搭建。這樣，假如程序系統(tǒng)陷進(jìn)一個(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著"喂狗"信號(hào)的話(huà)，那么該復(fù)位電路就無(wú)法實(shí)現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。

②現(xiàn)在越來(lái)越多的LED電源都帶有自己的片上復(fù)位系統(tǒng)，這樣用戶(hù)就可以很方便的使用其內(nèi)部的復(fù)位定時(shí)器了，但是，有些智能LED電源的控制電路復(fù)位指令太過(guò)于簡(jiǎn)單，這樣也會(huì)存在象上述死循環(huán)那樣的"喂狗"指令，使其失往監(jiān)控作用。

二 對(duì)干擾措施的硬件處理方法

要解決LED驅(qū)動(dòng)電源的電磁干擾問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面入手：

1.減少開(kāi)關(guān)電源本身的干擾

①軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：在原有的硬開(kāi)關(guān)電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的du/dt和di/dt，使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升，或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升，來(lái)消除電壓和電流的重疊。

②開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)：通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率fc，把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周?chē)念l帶上，以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMI幅值。

③元器件的選擇：選擇不易產(chǎn)生噪聲、不易傳導(dǎo)和輻射噪聲的元器件。通常特別值得注意的是，二極管和變壓器等繞組類(lèi)元器件的選用。反向恢復(fù)電流小、恢復(fù)時(shí)間短的快速恢復(fù)二極管是開(kāi)關(guān)電源高頻整流部分的理想器件。

④ 合理使用電磁干擾濾波器：EMI濾波器的主要目的之一，電網(wǎng)噪聲是電磁干擾的一種，它屬于射頻干擾(RFI),其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10KHz~30MHz，最高可達(dá)150MHz。

在一般情況下，差模干擾幅度小，頻率低，所造成的干擾較小;共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。欲削弱傳導(dǎo)干擾，最有效的方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。

LED電源一般采用簡(jiǎn)易式單級(jí)EMI濾波器，主要包括共模扼流圈和濾波電容。

圖2為常用的LED電源濾波器，L、C1和C2用來(lái)濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于L中兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不容易通過(guò)，故稱(chēng)作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性，斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用的安全性。

⑤ EMI濾波器能有效抑制開(kāi)關(guān)電源適配器的電磁干擾

圖3中曲線a為不加EMI濾波器時(shí)開(kāi)關(guān)電源適配器上0.15MHz~30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形。

曲線 b是加入EMI濾波器后的波形，它能將電磁干擾衰減50分貝(Uv)~70分貝(uV)。顯然，插入EMI濾波器的效果更佳。

設(shè)置電磁干擾濾波器加入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲電壓分別為U1和U2，計(jì)算公式是20lgU1/U2。

插入損耗用分貝dB表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。

e是噪聲信號(hào)發(fā)生器，Zi是信號(hào)源的內(nèi)部阻抗，ZL是負(fù)載阻抗，一般取50歐姆。噪聲頻率范圍可選10KHz~30MHz。首先要在不同頻率下分別測(cè)出加入EMI濾波器前后負(fù)載兩端的噪聲壓降U1、U2，再代入公式20lgU1/U2計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)的插入損耗值，最后匯出插入損耗曲線。

2.切斷干擾信號(hào)的傳播途徑

①電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。

②改善PCB板的電磁兼容性設(shè)計(jì)

PCB是LED電源系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)LED電源系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大。

實(shí)踐證實(shí)，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)LED電源系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。

PCB抗干擾設(shè)計(jì)主要包括PCB布局、布線及接地，其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串?dāng)_。

還有，一般變壓器電磁干擾引發(fā)的交流聲頻率一般為50HZ左右，而地線布線不當(dāng)導(dǎo)致的交流聲，由于整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ，仔細(xì)區(qū)分還是可以察覺(jué)的。

正確的布線方法是，選擇主濾波電容引腳作為集中接地點(diǎn)，強(qiáng)、弱信號(hào)地線嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)，在總接地點(diǎn)匯總。

因此，在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候，應(yīng)留意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計(jì)要求。

3.增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力

在LED電源系統(tǒng)中輸進(jìn)/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線，和接收射頻干擾信號(hào)的拾檢源，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)一般要采取有效的措施：

①采用必要的共模/差模抑制電路，同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)進(jìn)。

②在條件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離)，從而阻斷干擾的傳播。

③防雷擊措施

室外使用的LED電源系統(tǒng)或從室外排擠引進(jìn)室內(nèi)的電源線、信號(hào)線，要考慮系統(tǒng)的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當(dāng)電源的電壓大于某一數(shù)值時(shí)，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)進(jìn)大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數(shù)百乃上千A的電流。
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