教你如何有效解決LED電源的電磁幹擾問題

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解決LED電源電磁幹擾問題，是3C認證順利通過(guò)不可繞過(guò)的一環。熟悉電源電路設計的朋友們都(dōu)知道(dào)，在LED電源的設計過(guò)程中，電磁幹擾EMI是個不小的難題，那麼(me)如何能(néng)解決這(zhè)個問題?

本文將(jiāng)從這(zhè)一角度來分享對(duì)電磁兼容的處理，讓電磁幹擾不再是難題!

一、影響EMC的幾個因素

1. 驅動電源的電路結構

zui初的LED電源就(jiù)是線電源，但是線電源在工作時會(huì)以發(fā)熱的形式損耗大量能(néng)量。線電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將(jiāng)壓裝置，一般的都(dōu)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，優點是，對(duì)外幹擾小，電磁幹擾小，也容易解決。

而現在使用比較多的LED開(kāi)關電源，都(dōu)是以PWM形式的LED驅動電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀态。在導通時，電壓低，電流大;關斷時，電壓高，電流小，因此功率半導體器件上所産生的損耗也很小。缺點比較明顯的是，電磁幹擾(EMI)也更嚴重。

2.開(kāi)關頻率

LED電源的電磁兼容出現問題一般是開(kāi)關電路的電源中。而開(kāi)關電路是開(kāi)關電源的主要幹擾源之一。

開(kāi)關電路是LED驅動電源的核心，開(kāi)關電路主要由開(kāi)關管和高頻變壓器組成(chéng)。它産生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。

這(zhè)種(zhǒng)高頻脈沖幹擾産生的主要原因是：開(kāi)關管負載爲高頻變壓器初級線圈，是感負載。

3.開(kāi)關脈沖尖峰

導通瞬間，初級線圈産生很大的湧流，并在初級線圈的兩(liǎng)端出現較高的浪湧尖峰電壓;斷開(kāi)瞬間，由于初級線圈的漏磁通，緻使部分能(néng)量沒(méi)有從一次線圈傳輸到二次線圈，電路中形成(chéng)帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成(chéng)關斷電壓尖峰。

圖 1 爲開(kāi)關脈沖尖峰

高頻脈沖産生更多的發(fā)射，周期信号産生更多的發(fā)射。在LED電源系統中，開(kāi)關電路産生電流尖峰信号，而當負載電流變化時也會(huì)産生電流尖峰信号。這(zhè)就(jiù)電磁幹擾根源之一。

4.接地

在所有EMC題目中，主要題目是不适當的接地引起(qǐ)的。有三種(zhǒng)信号接地方法：單點、多點和混合。在開(kāi)關電路頻率低于1MHz時，可采用單點接地方法，但不适宜高頻;在高頻應用中，zui好(hǎo)采用多點接地。混合接地是低頻用單點接地，而高頻用多點接地的方法。地線布局是關鍵，高頻數字電路和低電平模拟電路的接地電路盡不能(néng)混合。

5.PCB設計

适當的印刷電路闆(PCB)布線對(duì)防止EMI是至關重要的。

智能(néng)LED電源的複位電路設計

增強受幹擾體的抗幹擾能(néng)力。

在LED驅動電源系統中輸進(jìn)/輸出也是幹擾源的傳導線，和接收射頻幹擾信号的拾檢源，我們設計時一般要采取有效的措施：

采用必要的共模/差模抑制電路，同時也要采取 一 定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小幹擾的進(jìn)進(jìn)。

在條件許可的情況下盡可能(néng)采取各種(zhǒng)隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離)，從而阻斷幹擾的傳播。

6.防雷擊措施

室外使用的LED電源系統或從室外排擠引進(jìn)室内的電源線、信号線，要考慮系統的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管等。氣體放電管是當電源的電壓大于某一數值時，通常爲數十V或數百V，氣體擊穿放電，將(jiāng)電源線上強沖擊脈沖導進(jìn)大地。TVS可以看成(chéng)兩(liǎng)個并聯且方向(xiàng)相反的齊納二極管，當兩(liǎng)端電壓高于某一值時導通。其特點是可以瞬态通過(guò)數百乃上千A的電流。

二、對(duì)幹擾措施的硬件處理方法

要解決LED驅動電源的電磁幹擾問題，可從以下幾個方面(miàn)入手：

1.減少開(kāi)關電源本身的幹擾

①軟開(kāi)關技術：在原有的硬開(kāi)關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)關過(guò)程中的du/dt和di/dt，使開(kāi)關器件開(kāi)通時電壓的下降先于電流的上升，或關斷時電流的下降先于電壓的上升，來消除電壓和電流的重疊。

②開(kāi)關頻率調制技術：通過(guò)調制開(kāi)關頻率fc，把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能(néng)量分散到它們周圍的頻帶上，以降低各個頻點上的EMI幅值。

③元器件的選擇：選擇不易産生噪聲、不易傳導和輻射噪聲的元器件。通常特别值得注意的是，二極管和變壓器等繞組類元器件的選用。反向(xiàng)恢複電流小、恢複時間短的快速恢複二極管是開(kāi)關電源高頻整流部分的理想器件。

④ 合理使用電磁幹擾濾波器：EMI濾波器的主要目的之一，電網噪聲是電磁幹擾的一種(zhǒng)，它屬于射頻幹擾(RFI),其傳導噪聲的頻譜大緻爲10KHz~30MHz，zui高可達150MHz。

在一般情況下，差模幹擾幅度小，頻率低，所造成(chéng)的幹擾較小;共模幹擾幅度大，頻率高，還(hái)可以通過(guò)導線産生輻射，所造成(chéng)的幹擾較大。欲削弱傳導幹擾，zui有效的方法就(jiù)是在開(kāi)關電源輸入和輸出電路中加裝電磁幹擾濾波器。

LED電源一般采用簡易式單級EMI濾波器，主要包括共模扼流圈和濾波電容。

圖2爲常用的LED電源濾波器，L、C1和C2用來濾除共模幹擾，C3和C4濾除串模幹擾。當出現共模幹擾時，由于L中兩(liǎng)個線圈的磁通方向(xiàng)相同，經(jīng)過(guò)耦合後(hòu)總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信号呈現很大的感抗，使之不容易通過(guò)，故稱作共模扼流圈。它的兩(liǎng)個線圈分别繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環上。R爲洩放電阻，可將(jiāng)C3上積累的電荷洩放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性，斷電後(hòu)還(hái)能(néng)使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用的安全性。

2 常用的LED電源濾波器

⑤ EMI濾波器能(néng)有效抑制開(kāi)關電源适配器的電磁幹擾

圖3中曲線a爲不加EMI濾波器時開(kāi)關電源适配器上0.15MHz~30MHz傳導噪聲的波形。

曲線 b是加入EMI濾波器後(hòu)的波形，它能(néng)將(jiāng)電磁幹擾衰減50分貝(Uv)~70分貝(uV)。顯然，插入EMI濾波器的效果更佳。

設置電磁幹擾濾波器加入前後(hòu)傳輸到負載上的噪聲電壓分别爲U1和U2，計算公式是20lgU1/U2。

插入損耗用分貝dB表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲幹擾的能(néng)力愈強。

測量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信号發(fā)生器，Zi是信号源的内部阻抗，ZL是負載阻抗，一般取50歐姆。噪聲頻率範圍可選10KHz~30MHz。首先要在不同頻率下分别測出加入EMI濾波器前後(hòu)負載兩(liǎng)端的噪聲壓降U1、U2，再代入公式20lgU1/U2計算出每個頻點的插入損耗值，zui後(hòu)彙出插入損耗曲線。

圖3：加入EMI濾波器前後(hòu)的情況

2.切斷幹擾信号的傳播途徑

①電源線幹擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開(kāi)關電源EMI濾波器應該對(duì)電源線上差模和共模幹擾都(dōu)有較強的抑制作用。

②改善PCB闆的電磁兼容性設計

PCB是LED電源系統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。随著(zhe)電子技術的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設計的好(hǎo)壞對(duì)LED電源系統的電磁兼容性影響很大。

實踐證實，即使電路原理圖設計正确，印刷電路闆設計不當，也會(huì)對(duì)LED電源系統的可靠性産生不利影響。

PCB抗幹擾設計主要包括PCB布局、布線及接地，其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。

圖4：正确選擇選擇主濾波電容引腳作爲集中接地點

還(hái)有，一般變壓器電磁幹擾引發(fā)的交流聲頻率一般爲50HZ左右，而地線布線不當導緻的交流聲，由于整流電路的倍頻作用頻率約爲100HZ，仔細區分還(hái)是可以察覺的。

正确的布線方法是如圖4，選擇主濾波電容引腳作爲集中接地點，強、弱信号地線嚴格區分開(kāi)，在總接地點彙總。

因此，在設計印刷電路闆的時候，應留意采用正确的方法，遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗幹擾的設計要求。

3.增強受幹擾體的抗幹擾能(néng)力。

在LED電源系統中輸進(jìn)/輸出也是幹擾源的傳導線，和接收射頻幹擾信号的拾檢源，我們設計時一般要采取有效的措施：

①采用必要的共模/差模抑制電路，同時也要采取 一 定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小幹擾的進(jìn)進(jìn)。

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

③防雷擊措施

室外使用的LED電源系統或從室外排擠引進(jìn)室内的電源線、信号線，要考慮系統的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當電源的電壓大于某一數值時，通常爲數十V或數百V，氣體擊穿放電，將(jiāng)電源線上強沖擊脈沖導進(jìn)大地。TVS可以看成(chéng)兩(liǎng)個并聯且方向(xiàng)相反的齊納二極管，當兩(liǎng)端電壓高于某一值時導通。其特點是可以瞬态通過(guò)數百乃上千A的電流。

因此，LED電源電磁電磁幹擾要控制技術主要有：電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽和印制電路闆抗幹擾設計等。