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如何解決LED電源設(shè)計中的EMC/EMI難題
發(fā)布時間:2016-06-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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,EMC包含EMI(電磁干擾)和EMS(電磁敏感性)兩個方面。
電磁干擾(EMI)是指任何在傳導(dǎo)或電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生會降低某個裝置、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)計等。
對于設(shè)計LED電源的工程師來說,電磁干擾問題是一直存在于設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。如何能解決這個問題?我們先來看看影響電磁兼容的幾個因素。
一 影響EMC的幾個因素
(1)驅(qū)動電源的電路結(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會以發(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)過整流輸出直流電壓。雖然笨重,發(fā)熱量大,優(yōu)點是,對外干擾小,電磁干擾小,也容易解決。
而現(xiàn)在使用比較多的LED開關(guān)電源,都是以 PWM形式的LED驅(qū)動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,電壓低,電流大;關(guān)斷時,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。缺點比較明顯的是,電磁干擾(EMI)也更嚴(yán)重。
(2)開關(guān)頻率
LED電源的電磁兼容出現(xiàn)問題一般是開關(guān)電路的電源中。而開關(guān)電路是開關(guān)電源的主要干擾源之一。
開關(guān)電路是LED驅(qū)動電源的核心,開關(guān)電路主要由開關(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:開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈,是感性負(fù)載。
圖1:開關(guān)脈沖尖峰的產(chǎn)生
導(dǎo)通瞬間,初級線圈產(chǎn)生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使部分能量沒有從一次線圈傳輸?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,周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在LED電源系統(tǒng)中,開關(guān)電路產(chǎn)生電流尖峰信號,而當(dāng)負(fù)載電流變化時也會產(chǎn)生電流尖峰信號。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?。有三種信號接地方法:單點、多點和混合。在開關(guān)電路頻率低于1MHz時,可采用單點接地方法,但不適宜高頻;在高頻應(yīng)用中,最好采用多點接地?;旌辖拥厥堑皖l用單點接地,而高頻用多點接地的方法。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
適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
(5)智能LED電源的復(fù)位電路設(shè)計
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)控制開關(guān)電路的占空比,單片機(jī)的看門狗系統(tǒng)對整個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“看門狗”電路可以自己設(shè)計也可以用專門的“看門狗”芯片來搭建。這樣,假如程序系統(tǒng)陷進(jìn)一個死循環(huán),而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號的話,那么該復(fù)位電路就無法實現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。
②現(xiàn)在越來越多的LED電源都帶有自己的片上復(fù)位系統(tǒng),這樣用戶就可以很方便的使用其內(nèi)部的復(fù)位定時器了,但是,有些智能LED電源的控制電路復(fù)位指令太過于簡單,這樣也會存在象上述死循環(huán)那樣的“喂狗”指令,使其失往監(jiān)控作用。
二 對干擾措施的硬件處理方法
要解決LED驅(qū)動電源的電磁干擾問題,可從以下幾個方面入手:
1.減少開關(guān)電源本身的干擾
①軟開關(guān)技術(shù):在原有的硬開關(guān)電路中增加電感和電容元件,利用電感和電容的諧振,降低開關(guān)過程中的du/dt和di/dt,使開關(guān)器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關(guān)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開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù):通過調(diào)制開關(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元器件的選用。反向恢復(fù)電流小、恢復(fù)時間短的快速恢復(fù)二極管是開關(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電源一般采用簡易式單級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,由于L中兩個線圈的磁通方向相同,經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗,使之不容易通過,故稱作共模扼流圈。它的兩個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。
圖2 常用的LED電源濾波器
⑤ EMI濾波器能有效抑制開關(guān)電源適配器的電磁干擾
圖3中曲線a為不加EMI濾波器時開關(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,說明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。
測量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信號發(fā)生器,Zi是信號源的內(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計算出每個頻點的插入損耗值,最后匯出插入損耗曲線。
圖3:加入EMI濾波器前后的情況
2.切斷干擾信號的傳播途徑
①電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對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
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的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對LED電源系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大。
實踐證實,即使電路原理圖設(shè)計正確,印刷電路板設(shè)計不當(dāng),也會對LED電源系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。
PCB抗干擾設(shè)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?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,強(qiáng)、弱信號地線嚴(yán)格區(qū)分開,在總接地點匯總。
因此,在設(shè)計印刷電路板的時候,應(yīng)留意采用正確的方法,遵守PCB設(shè)計的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計要求。
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的拾檢源,我們設(shè)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,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導(dǎo)通。其特點是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。
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