LED照明燈具的噪聲對策詳解

修訂后的日本《電氣用品安全法》將從2012年7月開始施行。經(jīng)過此次修訂，LED燈泡也成為了該法規(guī)的適用對象。在幾項限制標準中，尤其引人關(guān)注的是關(guān)于電磁噪聲強度的限制。目前市場上出現(xiàn)了與白熾燈泡和燈泡型熒光燈相比電磁噪聲較大的LED照明器具，隨著修訂版《電氣用品安全法》的施行，必須采取嚴格的噪聲對策。本文將根據(jù)LED照明的現(xiàn)狀，就LED照明的噪聲種類、測評方法以及對策事例進行分析。

起源于東日本大地震的供電不足問題使得人們的節(jié)電意識迅速高漲，LED照明器具和采用LED背照燈的液晶電視等節(jié)能產(chǎn)品正逐漸成為市場主流。LED照明器具方面，燈泡型、螢光管型、吊燈以及吸頂燈等已經(jīng)開始投入市場。

其中LED燈泡方面，不僅是知名照明廠商，新涉足廠商的產(chǎn)品也開始在家居用品店以低價銷售，LED燈泡市場正在迅速擴大。

與此同時，標準化及法規(guī)導入等旨在實現(xiàn)LED燈泡普及的環(huán)境也正在建立之中。此前，LED燈泡不在《電氣用品安全法》的適用對象之內(nèi)。因此，有些LED照明產(chǎn)品的電磁噪聲較大。這樣一來，如果將路燈的燈具由汞燈換成LED燈泡，就會引起電視和收音機的接收障礙。

白熾燈泡是內(nèi)部沒有電源電路的電阻性負載，因此不存在這類電磁噪聲問題。但換成LED燈泡后問題就凸現(xiàn)出來了。如果就這樣推進LED照明的普及，家中會出現(xiàn)多處噪聲源。

因此在海外，LED照明器具與普通照明器具一樣，都要符合國際標準CISPR15（《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》），各國均出臺了基于該標準的限制規(guī)定。

日本也將開始啟用這種限制規(guī)定。從2012年7月開始，LED燈泡將成為《電氣用品安全法》的適用對象。其中還包括關(guān)于噪聲強度的規(guī)定（預定噪聲端子電壓的頻帶為526.5kHz～30MHz、噪聲功率的頻帶為30MHz～300MHz）。

無論《電氣用品安全法》是否施行，隨著LED照明市場的擴大，與其他電子產(chǎn)品之間相互干擾的問題也是無法避免的。

LED燈泡的電磁噪聲源是其電源電路。由于LED燈泡的電源部在尺寸方面限制較為嚴格，因此需要用最少的元件實施電磁噪聲對策。尤其重要的是噪聲對策元件的選擇。因此，本文將以LED照明電源電路泄露的電磁噪聲種類及其測量方法、以及能有效抑制電磁噪聲的元件選擇方法為中心進行分析。

噪聲電流有兩種模式

一般情況下，EMC（電磁兼容性：electro-magnetic compatibility）標準中定義了兩種電磁噪聲的測量，分別是輻射到空中的“輻射噪聲”和流經(jīng)電源線的“傳導噪聲（噪聲端子電壓）”（圖1）。噪聲電流中同時存在“差模”和“共模”兩種模式的噪聲成分。差模噪聲是在信號線和地線之間產(chǎn)生的噪聲。而共模噪聲在是大地與信號線和大地與地線之間產(chǎn)生的噪聲，信號線和地線與大地之間的噪聲類型相同，即具有相同的相位和相同的振幅。

圖1：在LED燈泡中觀測到的電磁噪聲示例

EMC規(guī)定中定義了輻射噪聲和傳導噪聲兩種電磁噪聲的測量，LED燈泡也不例外。有的LED燈泡產(chǎn)品的噪聲超過了CISPR15的規(guī)定值（準峰值：QP和平均值：AV）。

輻射噪聲的主要成分是共模噪聲（圖2（a））。這是因為，該噪聲的電流環(huán)路面積要遠遠大于差模噪聲的電流環(huán)路面積。

圖2：電磁噪聲存在兩種模式

電磁噪聲有差模和共模兩種模式。輻射噪聲中主要是共模成分（a）。而傳導噪聲中，差模和共模兩種成分混合傳播的情況較多（b）

而在傳導噪聲中能觀測到差模和共模兩種成分（圖2（b））。如果是傳導噪聲，需要在掌握噪聲成分特點的基礎上，根據(jù)其特點采取對策。首先來介紹一下抑制傳導噪聲的方法。

區(qū)分電源的噪聲模式
　
傳導噪聲的測量，一般利用V型人工電源網(wǎng)絡，針對電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，測量準峰值*（QP值）和平均值（AV值，圖3（a））。利用V型人工電源網(wǎng)絡雖然能測量各電源線與大地之間的噪聲電壓，但由于差模噪聲和共模噪聲二者合在一起，分不清哪種噪聲模式是主體。

圖3：利用V型和Δ型人工電源網(wǎng)絡測量

在傳導噪聲的測量中，一般針對電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，利用V型人工電源網(wǎng)絡測量準峰值和平均值（a）。在該測量中，差模噪聲和共模噪聲合在一起，難以分辨哪種噪聲模式是主體。而如果利用Δ型人工電源網(wǎng)絡，便于分辨噪聲模式的種類（b）。該電源網(wǎng)絡可根據(jù)噪聲模式（Sym：差模，ASym：共模）測量其頻率特性。

*準峰值：對電磁噪聲等進行檢波時，用擴大了檢波器時間常數(shù)的檢波方式測量的值。是最大值和平均值之間的值。電磁噪聲的準峰值較大時，容易引起收音機接收障礙。與相同接收靈敏度的相關(guān)關(guān)系要比峰值強。

但如果采用“Δ型人工電源網(wǎng)絡”便可判斷噪聲模式的種類（圖3（b））。該電路網(wǎng)可以測量傳導噪聲中各噪聲模式的頻率特性。

這種頻率特性因產(chǎn)品類型而異。例如，LED燈泡、吊燈及大尺寸液晶電視之間的電磁噪聲頻率特性就有差別（圖4）。LED燈泡是以差模噪聲為主體，而LED吊燈是差模噪聲和共模噪聲混在一起。大尺寸液晶電視則以共模噪聲為主體。

圖4：噪聲成分因產(chǎn)品而異

電子產(chǎn)品的種類變了，噪聲成分的構(gòu)成也會變化。例如，LED燈泡主要是差模噪聲，LED吊燈中差模噪聲和共模噪聲混在一起（a，b）。而大尺寸液晶電視主要是共模噪聲（c）。

那么，為何不同產(chǎn)品的傳導噪聲噪聲成分會有特定的傾向？通過用電磁場分析模擬來分析這種傾向，就知道原因所在了。

噪聲模式取決于尺寸

傳導噪聲的測量在屏蔽室內(nèi)進行。測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標準規(guī)定。兩種標準中規(guī)定，屏蔽室的基準面與被測物體的距離要保持在0.4m，連接人工電源網(wǎng)絡和被測物體的電線長度為0.8m，被測物體設置在高0.8m的臺子上（圖5）。

圖5：傳導噪聲的測量在屏蔽室內(nèi)進行

本圖為傳導噪聲的測量情形。該測量的屏蔽室內(nèi)進行。具體的測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等規(guī)格規(guī)定。

此時，共模噪聲會通過屏蔽室內(nèi)壁（金屬）與被測物體之間的分布電容流出。我們將這種情況模型化，然后利用電磁場模擬，分析了被測物體的尺寸與共模噪聲易流出性（共模阻抗）之間的關(guān)系。

我們通過電磁場模擬分析了尺寸各異的4種（5×5×5cm3，10×10×10cm3，20×20×20cm3，100×80×20cm3）對象物，分別計算出了通過人工電源網(wǎng)絡觀察被測物體時的阻抗（圖6）。

圖6：噪聲模式取決于產(chǎn)品尺寸

利用尺寸各異的4種對象物進行了電磁場解析模擬，計算出了從人工電源網(wǎng)絡觀察被測物體時的共模阻抗（a）。根據(jù)結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室基準面與被測物體的分布電容越大，共模路徑的阻抗就越低（b）。另外，頻率越高，共模阻抗越低（c）。

圖6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及將該阻抗換算成分布電容的值。

從利用電磁場模擬分析4種對象物的結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室內(nèi)壁與被測物體之間的分布電容越大。也就是說，產(chǎn)品尺寸越大，共模路徑的阻抗越低，共模噪聲的電流越容易流動，該噪聲成分就越容易變大。

下篇將根據(jù)上述傳導電磁干擾噪聲的特點，介紹其對策。

差模噪聲電流沿差動方向流動

傳導噪聲的對策分三種情況實施：①差模噪聲較大、共模噪聲較小時；②共模噪聲較大、差模噪聲較小時；③兩種噪聲都比較大時。

首先介紹一下①差模噪聲較大、共模噪聲較小時的對策。差模噪聲的電流在AC電源線上沿差動方向流動。因此，無法在普通的共模扼流圈上衰減。這是因為，共模扼流圈對于同相方向（共模）的電流會產(chǎn)生電感，但對于差動方向（差模）的電流幾乎不產(chǎn)生電感。

因此，作為差模噪聲的對策，一般采用差模扼流圈和接在AC電源線兩端的電容器（以下簡稱“X電容”）。通過這兩個部件，在被測物體內(nèi)形成使流經(jīng)AC電源線的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（圖7（a））。

圖7：利用差模扼流圈和X電容抑制電磁噪聲

為抑制差模噪聲，利用差模扼流圈和X電容，在產(chǎn)品內(nèi)形成使流經(jīng)AC電源線的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（a）。如果是共模噪聲，一般使用Y電容來抑制噪聲，不過在照明產(chǎn)品的電源電路中，其效果不充分。因此通過在Y電容上追加共模扼流圈或僅利用共模扼流圈來抑制共模噪聲（b）。

利用差模扼流圈能提高AC電源線的阻抗，使噪聲電流不易流動。然后在此基礎上，利用X電容降低AC電源線間的阻抗，使噪聲電流返回噪聲源。該方法可防止電磁噪聲傳導至產(chǎn)品以外。

扼流圈對策

接下來介紹②共模噪聲較大、差模噪聲較小時的噪聲抑制方法。在共模噪聲中，由于噪聲電流在AC電源線上沿同相方向（共模）流動，因此即使在AC電源線兩端接入X電容也沒有作用。利用電容抑制噪聲時，采用引導噪聲電流流向大地的電容器（以下簡稱“Y電容”，圖7（b））。

不過，一般情況下利用Y電容降低共模噪聲的效果不明顯。因此，需要有效利用扼流圈。為提高AC電源線的阻抗、減少共模噪聲電流，將電感值較高的共模扼流圈或差模扼流圈接入電源的一次側(cè)。共模扼流圈針對流向同相方向的噪聲電流能獲得大阻抗，因此適用于共模噪聲對策。

利用混合扼流圈抑制噪聲

③差模噪聲和共模噪聲均比較大時，需要針對各類型的噪聲分別采取對策，這樣會導致所需元件增加，是造成成本上升和阻礙小型化的因素。

這種情況下，同時擁有共模扼流圈和差模扼流圈兩種功能的“混合扼流圈”最為有效。
　　混合扼流圈與相同尺寸的共模扼流圈具備相同程度的共模阻抗，和更高的差模阻抗（圖8）。混合扼流圈還備有扁平形狀的品種，可根據(jù)產(chǎn)品尺寸選擇。

圖8：混合扼流圈具備較高的差模阻抗

混合扼流圈不但具備與相同尺寸的共模扼流圈相同程度的共模阻抗，還具有更高的差模阻抗。

LED照明器具的電磁噪聲對策，關(guān)鍵在于電子元件的配置

以上是抑制源于電源部的傳導噪聲的方法概要。接下來將介紹LED照明器具電源部抑制噪聲的實例。

在LED照明器具的電源部，需要采取噪聲對策的部分大致有三處，分別是電源一次側(cè)整流前和整流后，以及電源二次側(cè)。

本文將介紹針對噪聲模式最容易凸顯部件效果的一次電源側(cè)整流前部分的對策。該部分相當于上述AC電源線。

第一個要介紹的是LED吊燈的傳導噪聲對策。在探尋對策之前，必須正確測量傳導噪聲。

首先，只以X電容為對策元件，利用V型人工電源網(wǎng)絡測量了LED吊燈的傳導噪聲。經(jīng)測量確認，在150k～10MHz的大頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生了噪聲（圖9）。

圖9：LED吊燈的傳導噪聲對策示例

本圖為LED吊燈的傳導噪聲對策示例。從圖中可知，元件的種類和配置不同，產(chǎn)生的傳導噪聲的頻率特性也會變化。因此，利用X電容和混合扼流圈，是最有效而且元件個數(shù)最少的對策。

接下來，改用Δ型人工電源網(wǎng)絡測量各噪聲模式。在大頻率范圍內(nèi)發(fā)生了共模噪聲，而差模噪聲發(fā)生在1MHz左右的低頻帶范圍。也就是說，LED吊燈的傳導噪聲混合了兩種噪聲模式。

作為噪聲水平較高的共模噪聲對策，①安裝了標準的共模扼流圈（3mH）。這樣做雖然共模噪聲大幅衰減，但差模噪聲并沒有衰減，因此低頻帶范圍的電磁噪聲依然高于規(guī)定值。

注意對策元件的相互作用

為抑制低頻帶的電磁噪聲，②追加了差模扼流圈（2.2mH）。這樣雖然降低了差模噪聲，但L1和L2的噪聲大小出現(xiàn)了差異。由于只在L1側(cè)追加了差模扼流圈，因此只有L1側(cè)的噪聲減小了。

為了修正這種不均衡，我們③試著改變了X電容的位置。這樣一來，L1的噪聲增大了，L1和L2的噪聲大小變得基本一樣。但這并不能解決問題。因此，作為消除不均衡的其他方法，我們④恢復了X電容的位置，在L2中追加了差模扼流圈（2.2mH）。也就是說，在L1和L2中分別安裝了差模扼流圈。這次，不但L1和L2的噪聲大小基本相同了，而且全部大幅衰減。不過又出現(xiàn)了一個新問題，那就是1MHz附近的共模噪聲增加了。

估計原因是，差模扼流圈的電感與共模扼流圈自身分布電容的串聯(lián)共振導致1MHz附近的共模阻抗降低了。

如上所述，元件間的相互作用有時會導致電磁噪聲增強。作為解決對策，有⑤采用混合扼流圈的方法。

通過采用混合型扼流圈，可獲得相當于采用一個共模扼流圈和兩個差模扼流圈的效果。另外，在抑制元件間相互作用的影響的同時，還可削減元件個數(shù)。

差模噪聲占一大半

接下來介紹一下LED燈泡的對策事例。與LED吊燈一樣，在探尋對策之前先來確認一下傳導噪聲的噪聲成分（圖10）。如上所述，LED燈泡由于尺寸較小，基本不會發(fā)生共模噪聲，發(fā)生的主要是差模噪聲。

圖10：LED燈泡的傳導噪聲對策示例

本圖為LED燈泡的傳導噪聲對策示例。通過在差模扼流圈外側(cè)配置X電容器，減小了L1和L2的傳導噪聲，其大小也基本相同。

與LED吊燈一樣，來驗證一下各元件抑制噪聲的效果。首先，①在L1中追加了差模扼流圈（3mH），將X電容配置在該線圈的外側(cè)，這樣L1和L2的噪聲都減小了。L1和L2的噪聲大小也基本相同。

對LED燈泡來說，這就是有效的對策了。不過，我們又試著②在L1和L2中分別配備了差模扼流圈，這樣一來，與LED吊燈一樣，1MHz頻率的共模噪聲增大了。估計是因為安裝兩個差模扼流圈后，共模路徑的電感和噪聲電流流過路徑的共模電容發(fā)生了串聯(lián)共振。

如上所述，抑制噪聲的效果會因噪聲電流流過路徑的電容和電感與噪聲對策元件之間的相互作用而大幅變化。

片式磁珠對策

LED燈泡將從2012年7月開始成為《電氣用品安全法》的適用對象，因此本文還要介紹一下輻射噪聲的對策。此次，在差模扼流圈外側(cè)配置X電容的情況下，首先測量了LED燈泡的輻射噪聲（圖11）。結(jié)果顯示，在大頻帶范圍內(nèi)都產(chǎn)生了輻射噪聲，尤其是在100M～200MHz頻帶，遠遠超過了CISPR15的規(guī)定值。

圖11：LED燈泡的輻射噪聲對策示例

LED燈泡的輻射噪聲對策采用片式鐵氧體磁珠。該磁珠的位置不同，輻射噪聲的抑制效果也不同。

在輻射噪聲對策方面，為抑制共模輻射噪聲，采用了片式鐵氧體磁珠。由于只在L1側(cè)安裝該磁珠無法降低輻射噪聲，因此①在L1和L2兩條電源線中都安裝了鐵氧體片式磁珠。這樣雖然降低了輻射噪聲，但仍然大于規(guī)定值。

因此，我們改變了片式鐵氧體磁珠的配置。具體而言，②將安裝于X電容外側(cè)的磁珠移動到了X電容內(nèi)側(cè)。由此進一步降低了輻射噪聲，這次降到了規(guī)定值以下。也就是說，抑制輻射噪聲的效果因X電容和片式鐵氧體磁珠的位置不同而有所不同。

最佳配置因燈泡而異

抑制輻射噪聲的最佳元件配置因LED燈泡而異。在其他LED燈泡中，盡管采取了獲得出色結(jié)果的圖11的②那樣的配置，即在X電容內(nèi)側(cè)配置片式鐵氧體磁珠，但并未獲得同樣出色的效果。所以又將片式鐵氧體磁珠安裝到X電容外側(cè)，此時，輻射噪聲降到了規(guī)定值以下（圖12）。也就是說，對于每一個LED燈泡而言，即便使用相同的噪聲對策元件，其效果也是不同的。

圖12：根據(jù)LED燈泡改變元件配置

不同的LED燈泡，抑制輻射噪聲的最佳元件配置不盡相同。例如，必須調(diào)整X電容和片式鐵氧體磁珠的位置關(guān)系。

所以，必須根據(jù)噪聲對策元件與其他元件的位置關(guān)系以及LED燈泡的性能參數(shù)，來改變噪聲對策元件的選擇和安裝位置等。在開發(fā)現(xiàn)場需要反復確認噪聲對策元件的效果，然后根據(jù)確認結(jié)果改變元件的種類和配置。因此，為提高元件配置自由度，提前考慮圖案設計也是減輕EMC對策負荷的方法。

此次連同EMC的基本內(nèi)容一起，介紹了照明器具的傳導噪聲和輻射噪聲的對策。文中介紹的方法只是一部分。今后，為實現(xiàn)更出色的電磁噪聲對策，我們將繼續(xù)進行各種對策元件的開發(fā)以及對策方法的提案等。