LED電源中電磁兼容性的設(shè)計(jì)方案

各類電源產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段均需兼顧電磁兼容性能，LED 燈具產(chǎn)品對(duì)此項(xiàng)要求尤為突出。歷經(jīng)行業(yè)發(fā)展，針對(duì) LED 燈具電磁干擾的檢測(cè)、評(píng)定與存檔相關(guān)規(guī)范已陸續(xù)落地成型。

未經(jīng)管控的電磁干擾極易引發(fā)各類故障問(wèn)題，近期我便遇到了相關(guān)實(shí)例：自家車庫(kù)電動(dòng)開門器原配 E27 白熾燈損毀，更換新式 LED 燈泡后燈具可正常點(diǎn)亮，但車庫(kù)遙控開門功能徹底失效，由此能夠判定，LED 燈具向外輻射的電磁波干擾了車庫(kù)門配套無(wú)線電控模組。

開關(guān)電源的電磁輻射分為傳導(dǎo)騷擾與輻射騷擾兩類，LED 驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的電磁干擾，既可經(jīng)由供電線纜傳導(dǎo)，也能依托磁耦合、容性耦合竄入周邊線路。這類干擾雖極少造成器件損毀，但極易致使鄰近電氣組件出現(xiàn)工作異常。

綜上，把產(chǎn)品電磁輻射控制在較低水平具備實(shí)際意義，而相關(guān)合規(guī)要求各區(qū)域均有明確規(guī)范。歐盟在售全品類電氣電子產(chǎn)品必須加貼 CE 標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)代表產(chǎn)品滿足歐盟安全、健康及環(huán)保相關(guān)法令，唯有達(dá)標(biāo)產(chǎn)品才可在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)上市流通；全球其余地區(qū)也出臺(tái)了多項(xiàng)電磁兼容準(zhǔn)入規(guī)范，典型代表有 UL、CSA 等認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì) LED 燈具的安全性能與電磁干擾，現(xiàn)行配套標(biāo)準(zhǔn)品類繁多，CISPR 11 是其中核心規(guī)范之一，CISPR 即國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)。除此之外，ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE 等機(jī)構(gòu)也參照 CISPR 基準(zhǔn)，制定了各類衍生規(guī)章與行業(yè)準(zhǔn)則。

加裝外接電源濾波器是抑制傳導(dǎo)發(fā)射的成熟方案，該器件能夠?yàn)V除線路中的共模噪聲與差模噪聲，適用頻段大多在 30MHz 以內(nèi)。不過(guò)濾波器的研發(fā)設(shè)計(jì)存在不小難度，多數(shù)產(chǎn)品僅針對(duì)特定頻段優(yōu)化，在其余工作頻段中，元器件寄生參數(shù)會(huì)改變器件固有性能，進(jìn)而影響濾波效果。舉例來(lái)說(shuō)，適配 100kHz 開關(guān)電源的濾波器可高效抑制該頻點(diǎn)輻射，但開關(guān)電源往往會(huì)在超寬頻段產(chǎn)生干擾，尤其 10MHz 以上高頻區(qū)間干擾突出，此時(shí)受寄生參數(shù)與諧振現(xiàn)象影響，該款濾波器反而會(huì)加劇電磁輻射。

PCB 布線、無(wú)源元器件自帶的寄生電感與寄生電容，是決定高頻輻射抑制效果的關(guān)鍵參數(shù)，30MHz 至標(biāo)準(zhǔn)限定上限區(qū)間的輻射騷擾整改難度偏高，需要設(shè)計(jì)者具備充足的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)儲(chǔ)備。LED 驅(qū)動(dòng)電源更是高頻輻射高發(fā)品類，產(chǎn)品普遍采用 LED 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案，串聯(lián)回路會(huì)占用大面積 PCB 空間，線路布局極易形成等效天線，大幅提升電磁波向外輻射效率；加之 LED 需要透光，無(wú)法采用金屬屏蔽罩做電路屏蔽，屏蔽方案成本高、落地難度大，因此從源頭削減輻射發(fā)射量是最優(yōu)解決思路。

在帶內(nèi)置電源的 LED 燈泡研發(fā)階段，可通過(guò)下述幾種方式優(yōu)化產(chǎn)品電磁兼容表現(xiàn)：

●在電源輸入、輸出端口統(tǒng)一加裝濾波器：在未明確產(chǎn)品實(shí)際干擾頻譜的前提下選型用料，容易選用規(guī)格冗余的元器件，拉高物料與生產(chǎn)成本。

●沿用成熟定型的濾波器方案，放棄針對(duì)性定制優(yōu)化：該做法同樣會(huì)帶來(lái)元器件成本偏高的問(wèn)題，且濾波器無(wú)法貼合產(chǎn)品工況，濾波性能難以達(dá)到最優(yōu)。

●外包專業(yè)工程師定制濾波器：需要長(zhǎng)期維系外部技術(shù)資源，會(huì)額外增加項(xiàng)目研發(fā)開支。

●優(yōu)先選用原生低輻射、電磁兼容指標(biāo)優(yōu)異的量產(chǎn)開關(guān)穩(wěn)壓芯片：依托芯片自身優(yōu)良 EMC 屬性，可大幅縮減甚至省去外圍濾波器件。

市面上絕大多數(shù) LED 驅(qū)動(dòng)采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖 1 為升壓電路原理示意圖。升壓變換器輸入端傳導(dǎo)發(fā)射水平普遍偏低，輸入回路無(wú)脈沖式電流（圖示藍(lán)色電流環(huán)路）；但輸出端脈沖電流流經(jīng)續(xù)流二極管（圖示紅色電流環(huán)路），致使輸出側(cè)騷擾強(qiáng)度偏高。功率開關(guān)管導(dǎo)通期間電感儲(chǔ)能，續(xù)流二極管無(wú)電流通過(guò)，負(fù)載所需電能全部由輸出電容供給。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器電路圖，這是LED驅(qū)動(dòng)器的十分常見拓?fù)?/span>

圖 1 里，導(dǎo)通階段的電流用藍(lán)色標(biāo)注，關(guān)斷階段的電流用綠色標(biāo)注。開關(guān)切換瞬間、電流在極短時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)突變的全部線路，在圖 1 中統(tǒng)一標(biāo)注為紅色。該類線路僅需數(shù)納秒，就能從導(dǎo)通載流狀態(tài)切換至斷電無(wú)流狀態(tài)，屬于電路關(guān)鍵走線。為削減輻射干擾，這類走線的布局需盡量精簡(jiǎn)緊湊。

依托技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)階段已有多款輻射指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品的開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片推向市場(chǎng)。此類芯片的關(guān)鍵走線排布具備高度對(duì)稱性，不同流向的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)大面積相互抵消，以此抑制輻射發(fā)射。

圖2.應(yīng)用于升壓轉(zhuǎn)換器，磁場(chǎng)相互抵消

圖 2 呈現(xiàn)器件呈對(duì)稱排布結(jié)構(gòu)，頂部紅色環(huán)路與底部紅色環(huán)路各自生成的磁場(chǎng)幅值一致、極性相反，兩種磁場(chǎng)能夠相互抵消。除該項(xiàng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)外，各關(guān)鍵走線的寄生電感得到大幅削減，輻射場(chǎng)強(qiáng)度隨之明顯下降。該磁場(chǎng)抵消方案依托專屬功率晶體管排布結(jié)構(gòu)落地，升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部功率晶體管同輸出電容間的電流通路（熱環(huán)路）長(zhǎng)度，是決定對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)關(guān)聯(lián)電感的核心因素。借助倒裝芯片工藝可實(shí)現(xiàn)該通路尺寸大幅縮短，開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的硅晶圓摒棄傳統(tǒng)引線鍵合方案，改用銅柱與芯片外殼完成互連；銅柱自身具備更低電感參數(shù)。在開關(guān)電流速率維持一致的條件下，電路電壓擾動(dòng)幅度顯著減小，輻射發(fā)射指標(biāo)隨之降低。綜上，選用經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的 LED 驅(qū)動(dòng)集成電路實(shí)現(xiàn) EMI 大幅抑制具備較高可行性，部分工況下電路無(wú)需增設(shè) EMI 濾波器，即可滿足對(duì)應(yīng)的 EMI 限定標(biāo)準(zhǔn)。

圖 3 為一款低輻射發(fā)射的落地應(yīng)用電路實(shí)例，該電路輸入電壓區(qū)間 8V~27V，用于驅(qū)動(dòng)由 10 顆 LED 串聯(lián)組成、額定工作電流 333mA 的燈串。該星型拓?fù)潆娐返拈_關(guān)工作頻率設(shè)定為 2MHz，整體輻射發(fā)射量被控制在極低水平。

圖3.驅(qū)動(dòng)器電路示例

圖4顯示了圖3中電路的平均輻射發(fā)射。紅線顯示了CISPR 25規(guī)范中的相應(yīng)限值?？梢钥闯觯艘?guī)范很容易達(dá)到（下沖）。

圖4.圖3中平均輻射EMI (CISPR 25)

低輻射LED驅(qū)動(dòng)器，常常還提供激活擴(kuò)頻調(diào)制(SSFM)功能的選項(xiàng)。這可能不會(huì)減少實(shí)際產(chǎn)生的輻射， 但它會(huì)將輻射分散到更寬的頻率范圍內(nèi)。這樣，對(duì)于各個(gè)EMC標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量中可以獲得更好的結(jié)果。在設(shè)置的開關(guān)頻率和該值的125%之間提供此功能。擴(kuò)頻調(diào)制在VHV和UHV頻段中也會(huì)有非常顯著的影響，可將任何給定頻率的輻射降低到會(huì)影響無(wú)線電通信的水平之下。

像所有開關(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)也非常關(guān)鍵。正確放置傳導(dǎo)快速開關(guān)電流的關(guān)鍵元件，對(duì)于最大程度降低輻射發(fā)射尤其重要。這些路徑中產(chǎn)生的寄生電感應(yīng)盡可能小。電流環(huán)路也應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能緊湊。

當(dāng)今的某些現(xiàn)代LED驅(qū)動(dòng)器特別注重使電磁輻射最小化。