幾招教你搞定LED的EMC/EMI問題

針對(duì)于設(shè)計(jì)LED電源的工程師來說，電磁干擾問題應(yīng)該是一直存在于設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其是在今年7月16日中國國家認(rèn)監(jiān)委把LED驅(qū)動(dòng)電源納入了3C強(qiáng)制認(rèn)證的范疇。并且新版規(guī)則于2014年9月1日起正式實(shí)施，調(diào)整新增產(chǎn)品自2015年9月1日起，未經(jīng)認(rèn)證不得擅自出廠、銷售、進(jìn)口或者在其他經(jīng)營活動(dòng)中使用LED電源?？墒鞘煜る娫措娐吩O(shè)計(jì)的朋友們都知道，在LED電源的設(shè)計(jì)過程中，電磁干擾EMI是個(gè)不小的難題，那么如何能解決這個(gè)問題?

首先我們來看一下能夠影響到EMI/EMC的幾個(gè)因素：驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu);開關(guān)頻率、接地、PCB設(shè)計(jì)、智能LED電源的復(fù)位電路設(shè)計(jì)。由于最初的 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。

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(dòng)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(jí)線圈，是感性負(fù)載。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;斷開瞬間，由于初級(jí)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(hào)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(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。

基本上在所有電磁干擾問題的題目中，主要是因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)慕拥匾鸬摹Ｓ腥N信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在開關(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?？梢哉f適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。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(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“看門狗”電路可以自己設(shè)計(jì)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(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號(hào)的話，那么該復(fù)位電路就無法實(shí)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(shí)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(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。

要解決LED驅(qū)動(dòng)電源的電磁干擾問題，從硬件上可從以下幾個(gè)方面入手：

1.減少開關(guān)電源本身的干擾：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(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，來消除電壓和電流的重疊。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(gè)頻點(diǎn)上的EMI幅值。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(shí)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。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(jiǎn)易式單級(jí)EMI濾波器，主要包括共模扼流圈和濾波電容。EMI濾波器能有效抑制開關(guān)電源適配器的電磁干擾。

2.通過切斷干擾信號(hào)的傳播途徑來減少電磁干擾問題：第一種情況是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。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)分還是可以察覺的。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.主動(dòng)大幅增強(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：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)。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。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)通過數(shù)百乃上千A的電流。