【導(dǎo)讀】如今，幾乎所有照明應(yīng)用都使用LED。LED在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)便已成為照明的首選。但在大多數(shù)應(yīng)用中，僅憑LED本身還無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能。LED必須采用合適的電源才能工作。這樣的驅(qū)動(dòng)器電路自然應(yīng)該盡可能高效以降低能耗，LED主要使用開(kāi)關(guān)電源的原因正在于此。
無(wú)論什么類(lèi)型的電源，都應(yīng)當(dāng)考慮電磁兼容性。在LED燈中尤其如此。隨著時(shí)間推移，針對(duì)LED產(chǎn)生的干擾的各種測(cè)量、評(píng)估和記錄標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立。
不受控制的電磁干擾可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。就在最近，我對(duì)此有了直觀感觸。我的電動(dòng)車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)器上的舊E27白熾燈泡燒壞了。將其更換為現(xiàn)代LED燈泡后，燈又亮起來(lái)了。但是，我再也無(wú)法使用遙控器打開(kāi)車(chē)庫(kù)門(mén)。因此，肯定是LED燈發(fā)出的電磁輻射對(duì)車(chē)庫(kù)門(mén)的無(wú)線電電子設(shè)備造成了干擾。
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射一部分是傳導(dǎo)發(fā)射，部分是輻射發(fā)射。因此，LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電磁輻射既可以通過(guò)電源線傳輸，也可以磁耦合或容性耦合到相鄰電路段中。這些輻射通常不會(huì)造成破壞，但可能導(dǎo)致相鄰電路元件工作不正常。
因此，使所產(chǎn)生的輻射最小化是有意義的，但在這方面必須滿足哪些要求？歐盟的所有電氣電子產(chǎn)品都要求有CE標(biāo)志。CE標(biāo)志證明產(chǎn)品符合歐盟關(guān)于安全、健康和環(huán)境保護(hù)的規(guī)定。只有合規(guī)的設(shè)備才能在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)流通。世界其他地區(qū)，設(shè)定了其他與電磁輻射干擾相關(guān)的重要要求，例如UL、CSA等標(biāo)準(zhǔn)。
有許多專門(mén)涉及LED燈的安全性和電磁輻射的標(biāo)準(zhǔn)，其中一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是CISPR 11。CISPR代表國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)。還有許多其他基于CISPR標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和法規(guī)，包括ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE等。
采取適當(dāng)措施并使用外加的電源線濾波器，可以確定地減少傳導(dǎo)發(fā)射。此類(lèi)濾波器用于濾除共模或差模噪聲。在這里，作用的頻率范圍通常低于30 MHz。但是，開(kāi)發(fā)此類(lèi)濾波器并非那么簡(jiǎn)單。濾波器通常針對(duì)特定頻率范圍進(jìn)行優(yōu)化。在其他頻率范圍，寄生效應(yīng)以及其引起的器件特性變化可能會(huì)造成影響。例如，一個(gè)濾波器可以很好地降低100 kHz開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的輻射。然而，電源通常會(huì)在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射，尤其是在10 MHz以上。在這種情況下，針對(duì)100 kHz優(yōu)化的濾波器甚至可能由于寄生效應(yīng)和諧振而增加輻射。
這種方式無(wú)法確定降低輻射發(fā)射。在這里，PCB走線及無(wú)源電路元件的寄生電感和電容的大小起著決定性的作用。通常頻率在30 MHz以上，至相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限時(shí)，降低這些輻射發(fā)射非常困難。它需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和背景知識(shí)。特別LED燈的驅(qū)動(dòng)，輻射發(fā)射水平可能非常高。通常是驅(qū)動(dòng)一串LED，此串聯(lián)電路常常需要占用電路板上的大量空間。因此，其幾何布局具有天線的特性，所產(chǎn)生的發(fā)射被特別有效地輻射出去。屏蔽電路復(fù)雜且昂貴，甚至因?yàn)楣饩€無(wú)法穿過(guò)金屬板屏蔽層，對(duì)LED甚至不能使用金屬板屏蔽。因此，解決之道在于限制所產(chǎn)生的輻射發(fā)射量。
設(shè)計(jì)帶電源的LED燈泡時(shí)，請(qǐng)注意以下關(guān)于電磁兼容性的可能性：
●在電源的所有輸入和輸出端增加濾波器，但并不真正了解具體的輻射情況。這通常導(dǎo)致需要為尺寸過(guò)大的元件付出高成本，而且制造成本也會(huì)提高。
●重復(fù)使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的濾波器設(shè)計(jì)，而不是每次都對(duì)濾波器進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。這里同樣可能導(dǎo)致元件成本較高，而且濾波器的設(shè)計(jì)也可能不是最優(yōu)。
●委托專家提供濾波器設(shè)計(jì)。為此，還需要在需要的時(shí)候能找到外部專家提供支持。這也會(huì)產(chǎn)生額外的成本。
●選擇具有最低輻射和最佳EMC特性的現(xiàn)成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)。在這種情況下，只需要最少的濾波或不需要濾波。
大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器是升壓轉(zhuǎn)換器。圖1顯示了此類(lèi)轉(zhuǎn)換器的原理電路圖。升壓轉(zhuǎn)換器輸入端的傳導(dǎo)發(fā)射通常較低。輸入電流不是脈沖式（藍(lán)色電流環(huán)路）。但在輸出端，發(fā)射非常高，因?yàn)槠渲杏忻}沖電流流過(guò)反激二極管（紅色電流環(huán)路）。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)（即接地開(kāi)關(guān)接通時(shí)），電感充電，沒(méi)有電流流過(guò)反激二極管。在此時(shí)間段內(nèi)，為負(fù)載供電的總能量來(lái)自輸出電容。
圖1.升壓轉(zhuǎn)換器電路圖，這是LED驅(qū)動(dòng)器的十分常見(jiàn)拓?fù)洹?em>
在圖1中，導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的電流以藍(lán)色顯示，關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的電流以綠色顯示。電流在非常短的時(shí)間（或開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間）內(nèi)發(fā)生變化的所有路徑都在圖1中顯示為紅色。這些路徑在短短幾納秒內(nèi)便從有電流狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)電流狀態(tài)。它們是關(guān)鍵路徑，必須設(shè)計(jì)得盡可能小巧緊湊，從而降低輻射發(fā)射。
得益于創(chuàng)新，輻射發(fā)射比以前低得多的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC最近已上市。關(guān)鍵路徑的布置非常對(duì)稱，以至于不同方向的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大部分相互抵消。
圖2.應(yīng)用于升壓轉(zhuǎn)換器的Silent Switcher概念，磁場(chǎng)相互抵消。
圖2顯示了此拓?fù)涞膶?duì)稱排列。頂部紅色環(huán)路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與底部紅色環(huán)路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相同，但方向相反，因而彼此抵消。ADI稱技術(shù)為Silent Switcher。除此創(chuàng)新外，所有關(guān)鍵線段的寄生電感都大大降低，導(dǎo)致輻射場(chǎng)顯著減弱。Silent Switcher拓?fù)淅脤Ｓ泄β示w管布局來(lái)實(shí)現(xiàn)這種磁場(chǎng)抵消效果。升壓轉(zhuǎn)換器的功率晶體管和輸出電容之間的路徑（熱環(huán)路）長(zhǎng)度決定了該磁場(chǎng)相關(guān)的電感。在Silent Switcher 2技術(shù)中，此路徑的長(zhǎng)度大大縮短。這是通過(guò)所謂的倒裝芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC中的硅不是通過(guò)焊線而是通過(guò)銅柱連接到IC外殼。這些銅柱的電感要低得多。因此，在電流開(kāi)關(guān)速度相同的情況下，電壓失調(diào)要低得多，由此便可降低輻射發(fā)射水平。所以，通過(guò)使用優(yōu)化LED驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)大大降低EMI是非常可行的。在某些情況下，甚至可以在不使用EMI濾波器的情況下保持在一定的EMI限值內(nèi)。
圖3顯示了一個(gè)具有極低輻射發(fā)射的實(shí)際電路。其中， LT3922-1在升壓電路中運(yùn)行。用8 V至27 V的輸入電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)333 mA的10 LED鏈。對(duì)于這個(gè)星鏈結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz，產(chǎn)生的輻射極小。
圖3.Silent Switcher LED驅(qū)動(dòng)器電路示例，針對(duì)最小輻射和最佳EMC特性進(jìn)行了優(yōu)化。
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。可以看出，此規(guī)范很容易達(dá)到（下沖）。
圖4.圖3中LT3922-1的平均輻射EMI (CISPR 25)。
諸如LT3922-1之類(lèi)的低輻射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。LT3922-1在所設(shè)置的開(kāi)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(kāi)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。諸如Silent Switcher和Silent Switcher 2技術(shù)之類(lèi)的現(xiàn)代創(chuàng)新有助于大幅改善EMC性能，但避免印刷電路板布局出現(xiàn)任何錯(cuò)誤仍然很重要。正確放置傳導(dǎo)快速開(kāi)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。為了幫助用戶周全考慮這些方面，LT3922-1數(shù)據(jù)手冊(cè)之類(lèi)的詳細(xì)文檔提供了有價(jià)值而明確的參考信息。
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。為此，它們采用了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域中的一些關(guān)鍵創(chuàng)新，包括ADI Silent Switcher和Silent Switcher 2技術(shù)。利用這些IC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了符合EMI限值所要做的工作相對(duì)較少。
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