控制LED驅(qū)動(dòng)器的EMI

Frederik Dostal

如今，幾乎所有照明應(yīng)用都使用LED。在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，它們已成為照明的首選。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，LED不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)其功能。LED 必須使用合適的電源運(yùn)行。這種驅(qū)動(dòng)電路自然應(yīng)該盡可能高效，以降低能耗，這就是為什么開(kāi)關(guān)模式電源主要用于此目的的原因。

對(duì)于所有電源，無(wú)論類型如何，都應(yīng)考慮電磁兼容性。在LED燈的情況下尤其如此。隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)建立了各種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)， 評(píng)估， 和記錄 LED 燈產(chǎn)生的干擾.

不受控制的電磁干擾會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。就在最近，我親身體驗(yàn)了其中之一。我的電動(dòng)車庫(kù)開(kāi)門(mén)器上的一個(gè)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(wú)法再用遙控器打開(kāi)車庫(kù)門(mén)。因此，LED燈的輻射發(fā)射一定對(duì)車庫(kù)門(mén)的無(wú)線電電子設(shè)備造成了干擾。

開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的輻射部分傳導(dǎo)，部分輻射。因此，LED驅(qū)動(dòng)器的電磁輻射可以通過(guò)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(dǎo)致相鄰電路組件功能不正常。

因此，盡量減少產(chǎn)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(chǎn)品都需要CE標(biāo)志。CE標(biāo)志證明產(chǎn)品符合歐盟安全，健康和環(huán)境保護(hù)規(guī)則。因此，允許在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)運(yùn)輸此類合規(guī)設(shè)備。在世界其他地區(qū)，還有其他與輻射發(fā)射有關(guān)的重要要求。例子包括UL，CSA等。

有許多專門(mén)與LED燈的安全性和排放相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)主要的是CISPR 11。CISPR 代表 國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)。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(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)使用額外的供應(yīng)線過(guò)濾器采取適當(dāng)?shù)拇胧?，可以預(yù)測(cè)地減少傳導(dǎo)排放。這些濾波器設(shè)計(jì)用于解決共?；虿钅Ｔ肼暋ＭǔＴ谶@里起作用的頻率范圍低于30 MHz。然而，開(kāi)發(fā)這些過(guò)濾器并不是那么簡(jiǎn)單。濾波器通常針對(duì)特定頻率范圍進(jìn)行優(yōu)化。在其他頻率范圍內(nèi)，寄生效應(yīng)和由此產(chǎn)生的所用組件行為變化可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。例如，濾波器可以很好地減少100 kHz開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的輻射。但是，電源通常會(huì)產(chǎn)生很寬頻率范圍的輻射，尤其是在10 MHz以上。在這里，針對(duì)100 kHz優(yōu)化的濾波器甚至可以通過(guò)寄生效應(yīng)和諧振增加發(fā)射。

以這種方式無(wú)法預(yù)測(cè)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(wú)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)驗(yàn)和背景知識(shí)。特別是在LED燈的驅(qū)動(dòng)中，輻射發(fā)射水平可能非常高。通常驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生的發(fā)射被特別有效地輻射。屏蔽電路是復(fù)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(wú)法穿過(guò)金屬板屏蔽。因此，解決方案在于僅產(chǎn)生少量的輻射發(fā)射。

在設(shè)計(jì)帶電源的LED燈泡時(shí)，請(qǐng)注意以下有關(guān)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(huì)導(dǎo)致超大尺寸組件的高成本和更高的制造成本。

重復(fù)使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的過(guò)濾器概念，而無(wú)需每次都調(diào)整過(guò)濾器。在這里，也可能會(huì)出現(xiàn)更高的組件成本，并且過(guò)濾器設(shè)計(jì)可能不是最佳的。

委托專家提供過(guò)濾器設(shè)計(jì)。為此，外部專家也必須在正確的時(shí)間到場(chǎng)。這也會(huì)導(dǎo)致額外的成本。

選擇已經(jīng)設(shè)計(jì)為最小輻射和最佳EMC行為的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC。在這種情況下，需要最少的過(guò)濾或不需要過(guò)濾。

大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器是升壓轉(zhuǎn)換器。圖1顯示了此類轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。升壓轉(zhuǎn)換器通常在輸入側(cè)具有較低的傳導(dǎo)輻射。輸入電流是非脈動(dòng)的（藍(lán)色電流環(huán)路）。然而，在輸出側(cè)，由于脈沖電流流過(guò)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(dǎo)通期間（即接地開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)），電感充電，沒(méi)有電流流過(guò)反激二極管。在此時(shí)間段中為負(fù)載供電的總能量來(lái)自輸出電容。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，這是LED驅(qū)動(dòng)器的一種非常常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在圖1中，導(dǎo)通時(shí)間的電流以藍(lán)色顯示，關(guān)斷時(shí)間的電流以綠色顯示。電流在極短的時(shí)間內(nèi)或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)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(nèi)將其狀態(tài)從電流變?yōu)闊o(wú)電流。它們是關(guān)鍵路徑，必須設(shè)計(jì)得盡可能小和緊湊，以減少輻射發(fā)射。

由于創(chuàng)新而產(chǎn)生低得多輻射發(fā)射的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC最近已經(jīng)問(wèn)世。關(guān)鍵路徑的布置非常對(duì)稱，以至于產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(yīng)用于具有相互抵消磁場(chǎng)的升壓轉(zhuǎn)換器。

圖 2 顯示了此拓?fù)涞膶?duì)稱排列。頂部紅色回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與底部紅色回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相同，但指向相反的方向。這會(huì)產(chǎn)生字段取消的效果。在ADI公司，該技術(shù)以靜音切換器的名義銷售。除了這項(xiàng)創(chuàng)新之外，所有關(guān)鍵線段的寄生電感都大幅降低，從而大大減少了輻射場(chǎng)。靜音開(kāi)關(guān)拓?fù)淅霉β示w管的專有布局來(lái)實(shí)現(xiàn)這種磁消除效果。功率晶體管和升壓轉(zhuǎn)換器（熱回路）輸出電容之間的路徑長(zhǎng)度決定了該磁場(chǎng)所涉及的電感。在靜音切換器 2 技術(shù)中，此路徑的長(zhǎng)度大大縮短。這是通過(guò)所謂的倒裝芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在這里，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC中的硅不是通過(guò)鍵合線連接到IC外殼，而是通過(guò)銅柱連接。這些支柱的電感要低得多。因此，對(duì)于相同的電流開(kāi)關(guān)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(guò)使用優(yōu)化的LED驅(qū)動(dòng)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(nèi)。

具有極低輻射發(fā)射的實(shí)用電路如圖3所示。此處，LT3922-1 采用升壓電路工作。10 個(gè) LED 鏈，電流為 333 mA，輸入電壓為 8 V 至 27 V。對(duì)于這個(gè)星座，開(kāi)關(guān)是在2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率下完成的，產(chǎn)生的輻射最小。

圖3.靜音開(kāi)關(guān)電源LED驅(qū)動(dòng)器的示例電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)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(yīng)限制。可以看出，這個(gè)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(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)器（例如 LT3922-1）通常還提供激活擴(kuò)頻頻率調(diào)制 （SSFM） 功能的選項(xiàng)。這可能不會(huì)減少產(chǎn)生的實(shí)際輻射，但它會(huì)在更寬的頻率范圍內(nèi)傳播發(fā)射。通過(guò)這種方式，可以在各個(gè)EMC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量中獲得更好的結(jié)果。LT3922-1 在分別設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率和該值的 125% 之間提供了此功能。擴(kuò)頻還可以在VHV和UHV頻段產(chǎn)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(wú)線電通信的水平以下。

與每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一樣，對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器，電路板布局的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。靜音切換器和靜音切換器 2 技術(shù)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(cuò)誤仍然很重要。正確放置傳導(dǎo)快速開(kāi)關(guān)電流的關(guān)鍵元件對(duì)于最大限度地減少輻射發(fā)射尤其重要。這些路徑中應(yīng)包含盡可能少的寄生電感。電流環(huán)路的設(shè)計(jì)也應(yīng)盡可能緊湊。為了幫助成功考慮這些方面，LT3922-1 數(shù)據(jù)手冊(cè)等詳細(xì)文檔提供了有價(jià)值且清晰的信息。

當(dāng)今的一些現(xiàn)代LED驅(qū)動(dòng)器專門(mén)用于最大限度地減少電磁輻射。為此，他們使用了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域的一些關(guān)鍵創(chuàng)新，包括ADI公司的靜音開(kāi)關(guān)和靜音開(kāi)關(guān)2技術(shù)。使用這些IC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，符合EMI限制所需的工作量相對(duì)較低。

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