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      如何解決LED電源設計中的EMC/EMI難題
      發布日期: 2015年10月16日 點擊: 1910 責任編輯: 本站

       電磁兼容(EMC)是在電學中研究意外電磁能量的產生、傳播和接收,以及這種能量所引起的有害影響。電磁兼容的目標是在相同環境下,涉及電磁現象的不同設備都能夠正常運轉,而且不對此環境中的任何設備產生難以忍受的電磁干擾之能力。習慣上說,EMC包含EMI(電磁干擾)和EMS(電磁敏感性)兩個方面。
        電磁干擾(EMI)是指任何在傳導或電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產生會降低某個裝置、設備或系統的性能,或產生不良影響的電磁現象。
        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計等。
        對于設計LED電源的工程師來說,電磁干擾問題是一直存在于設計中的一個關鍵問題。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)驅動電源的電路結構
        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,再經過整流輸出直流電壓。雖然笨重,發熱量大,優點是,對外干擾小,電磁干擾小,也容易解決。
        而現在使用比較多的LED開關電源,都是以 PWM形式的LED驅動電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀態。在導通時,電壓低,電流大;關斷時,電壓高,電流小,因此功率半導體器件上所產生的損耗也很小。缺點比較明顯的是,電磁干擾(EMI)也更嚴重。
        (2)開關頻率
        LED電源的電磁兼容出現問題一般是開關電路的電源中。而開關電路是開關電源的主要干擾源之一。
        開關電路是LED驅動電源的核心,開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的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生的主要原因是:開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。

        圖1:開關脈沖尖峰的產生
        導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現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到二次線圈,電路中形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。
        高頻脈沖產生更多的發射,周期性信號產生更多的發射。在LED電源系統中,開關電路產生電流尖峰信號,而當負載電流變化時也會產生電流尖峰信號。這就電磁干擾根源之一。
        (3)接地
        在所有EMC題目中,主要題目是不適當的接地引起的。有三種信號接地方法:單點、多點和混合。在開關電路頻率低于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。地線布局是關鍵,高頻數字電路和低電平模擬電路的接地電路盡不能混合。
        (4)PCB設計
        適當的印刷電路板(PCB)布線對防止EMI是至關重要的。
        (5)智能LED電源的復位電路設計
        在LED電源中,有不少智能LED電源采用單片機控制,并且有的LED電源采用單片機控制開關電路的占空比,單片機的看門狗系統對整個LED電源的運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,一旦進進CPU干擾程序的正常運行,那么復位系統結合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯防御的屏障了。常用的復位系統有以下兩種:
       ?、偻獠繌臀幌到y。外部"看門狗"電路可以自己設計也可以用專門的"看門狗"芯片來搭建。這樣,假如程序系統陷進一個死循環,而該循環中恰巧有著"喂狗"信號的話,那么該復位電路就無法實現它的應有的功能了。
       ?、诂F在越來越多的LED電源都帶有自己的片上復位系統,這樣用戶就可以很方便的使用其內部的復位定時器了,但是,有些智能LED電源的控制電路復位指令太過于簡單,這樣也會存在象上述死循環那樣的"喂狗"指令,使其失往監控作用。
        二 對干擾措施的硬件處理方法
        要解決LED驅動電源的電磁干擾問題,可從以下幾個方面入手:
        1.減少開關電源本身的干擾
       ?、佘涢_關技術:在原有的硬開關電路中增加電感和電容元件,利用電感和電容的諧振,降低開關過程中的du/dt和di/dt,使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關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。
       ?、陂_關頻率調制技術:通過調制開關頻率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。
       ?、墼骷倪x擇:選擇不易產生噪聲、不易傳導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。反向恢復電流小、恢復時間短的快速恢復二極管是開關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,電網噪聲是電磁干擾的一種,它屬于射頻干擾(RFI),其傳導噪聲的頻譜大致為10KHz~30MHz,最高可達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,還可以通過導線產生輻射,所造成的干擾較大。欲削弱傳導干擾,最有效的方法就是在開關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。當出現共模干擾時,由于L中兩個線圈的磁通方向相同,經過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現很大的感抗,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、高導磁率的鐵氧體磁環上。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
       ?、?EMI濾波器能有效抑制開關電源適配器的電磁干擾
        圖3中曲線a為不加EMI濾波器時開關電源適配器上0.15MHz~30MHz傳導噪聲的波形。
        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。
        設置電磁干擾濾波器加入前后傳輸到負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。
        測量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信號發生器,Zi是信號源的內部阻抗,ZL是負載阻抗,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
       ?、匐娫淳€干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。
       ?、诟纳芇CB板的電磁兼容性設計
        PCB是LED電源系統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。隨著電子技術的飛速發展,PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對LED電源系統的電磁兼容性影響很大。
        實踐證實,即使電路原理圖設計正確,印刷電路板設計不當,也會對LED電源系統的可靠性產生不利影響。
        PCB抗干擾設計主要包括PCB布局、布線及接地,其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。
        還有,一般變壓器電磁干擾引發的交流聲頻率一般為50HZ左右,而地線布線不當導致的交流聲,由于整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ,仔細區分還是可以察覺的。
        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、弱信號地線嚴格區分開,在總接地點匯總。
        因此,在設計印刷電路板的時候,應留意采用正確的方法,遵守PCB設計的一般原則,并應符合抗干擾的設計要求。
        3.增強受干擾體的抗干擾能力
        在LED電源系統中輸進/輸出也是干擾源的傳導線,和接收射頻干擾信號的拾檢源,我們設計時一般要采取有效的措施:
       ?、俨捎帽匾墓材?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進。
       ?、谠跅l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。
       ?、鄯览讚舸胧?BR>  室外使用的LED電源系統或從室外排擠引進室內的電源線、信號線,要考慮系統的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有:氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當電源的電壓大于某一數值時,通常為數十V或數百V,氣體擊穿放電,將電源線上強沖擊脈沖導進大地。TVS可以看成兩個并聯且方向相反的齊納二極管,當兩端電壓高于某一值時導通。其特點是可以瞬態通過數百乃上千A的電流。

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