發布日期：2022-04-28 點擊率：47
【導讀】如今，幾乎所有照明應用都使用LED。LED在相對較短的時間內便已成為照明的首選。但在大多數應用中，僅憑LED本身還無法實現其功能。LED必須采用合適的電源才能工作。這樣的驅動器電路自然應該盡可能高效以降低能耗，LED主要使用開關電源的原因正在于此。
無論什么類型的電源，都應當考慮電磁兼容性。在LED燈中尤其如此。隨著時間推移，針對LED產生的干擾的各種測量、評估和記錄標準已經確立。
不受控制的電磁干擾可能會帶來嚴重后果。就在最近，我對此有了直觀感觸。我的電動車庫開門器上的舊E27白熾燈泡燒壞了。將其更換為現代LED燈泡后，燈又亮起來了。但是，我再也無法使用遙控器打開車庫門。因此，肯定是LED燈發出的電磁輻射對車庫門的無線電電子設備造成了干擾。
開關電源產生的輻射一部分是傳導發射，部分是輻射發射。因此，LED驅動器產生的電磁輻射既可以通過電源線傳輸，也可以磁耦合或容性耦合到相鄰電路段中。這些輻射通常不會造成破壞，但可能導致相鄰電路元件工作不正常。
因此，使所產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品都要求有CE標志。CE標志證明產品符合歐盟關于安全、健康和環境保護的規定。只有合規的設備才能在歐洲經濟區內流通。世界其他地區，設定了其他與電磁輻射干擾相關的重要要求，例如UL、CSA等標準。
有許多專門涉及LED燈的安全性和電磁輻射的標準，其中一個主要標準是CISPR 11。CISPR代表國際無線電干擾特別委員會。還有許多其他基于CISPR標準的規定和法規，包括ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE等。
采取適當措施并使用外加的電源線濾波器，可以確定地減少傳導發射。此類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，開發此類濾波器并非那么簡單。濾波器通常針對特定頻率范圍進行優化。在其他頻率范圍，寄生效應以及其引起的器件特性變化可能會造成影響。例如，一個濾波器可以很好地降低100 kHz開關電源所產生的輻射。然而，電源通常會在很寬的頻率范圍內產生輻射，尤其是在10 MHz以上。在這種情況下，針對100 kHz優化的濾波器甚至可能由于寄生效應和諧振而增加輻射。
這種方式無法確定降低輻射發射。在這里，PCB走線及無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，至相應標準中規定的上限時，降低這些輻射發射非常困難。它需要豐富的經驗和背景知識。特別LED燈的驅動，輻射發射水平可能非常高。通常是驅動一串LED，此串聯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，所產生的發射被特別有效地輻射出去。屏蔽電路復雜且昂貴，甚至因為光線無法穿過金屬板屏蔽層，對LED甚至不能使用金屬板屏蔽。因此，解決之道在于限制所產生的輻射發射量。
設計帶電源的LED燈泡時，請注意以下關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。這通常導致需要為尺寸過大的元件付出高成本，而且制造成本也會提高。
●重復使用經過驗證的濾波器設計，而不是每次都對濾波器進行適應性調整。這里同樣可能導致元件成本較高，而且濾波器的設計也可能不是最優。
●委托專家提供濾波器設計。為此，還需要在需要的時候能找到外部專家提供支持。這也會產生額外的成本。
●選擇具有最低輻射和最佳EMC特性的現成開關穩壓器IC設計。在這種情況下，只需要最少的濾波或不需要濾波。
大多數LED驅動器是升壓轉換器。圖1顯示了此類轉換器的原理電路圖。升壓轉換器輸入端的傳導發射通常較低。輸入電流不是脈沖式（藍色電流環路）。但在輸出端，發射非常高，因為其中有脈沖電流流過反激二極管（紅色電流環路）。在導通時間內（即接地開關接通時），電感充電，沒有電流流過反激二極管。在此時間段內，為負載供電的總能量來自輸出電容。
圖1.升壓轉換器電路圖，這是LED驅動器的十分常見拓撲。
在圖1中，導通時間內的電流以藍色顯示，關斷時間內的電流以綠色顯示。電流在非常短的時間（或開關轉換時間）內發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便從有電流狀態變為無電流狀態。它們是關鍵路徑，必須設計得盡可能小巧緊湊，從而降低輻射發射。
得益于創新，輻射發射比以前低得多的開關穩壓器IC最近已上市。關鍵路徑的布置非常對稱，以至于不同方向的電流產生的磁場大部分相互抵消。
圖2.應用于升壓轉換器的Silent Switcher概念，磁場相互抵消。
圖2顯示了此拓撲的對稱排列。頂部紅色環路中產生的磁場與底部紅色環路中產生的磁場大小相同，但方向相反，因而彼此抵消。ADI稱技術為Silent Switcher。除此創新外，所有關鍵線段的寄生電感都大大降低，導致輻射場顯著減弱。Silent Switcher拓撲利用專有功率晶體管布局來實現這種磁場抵消效果。升壓轉換器的功率晶體管和輸出電容之間的路徑（熱環路）長度決定了該磁場相關的電感。在Silent Switcher 2技術中，此路徑的長度大大縮短。這是通過所謂的倒裝芯片技術實現的。開關穩壓器IC中的硅不是通過焊線而是通過銅柱連接到IC外殼。這些銅柱的電感要低得多。因此，在電流開關速度相同的情況下，電壓失調要低得多，由此便可降低輻射發射水平。所以，通過使用優化LED驅動器IC來大大降低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。
圖3顯示了一個具有極低輻射發射的實際電路。其中， LT3922-1在升壓電路中運行。用8 V至27 V的輸入電壓驅動一個333 mA的10 LED鏈。對于這個星鏈結構，開關頻率為2 MHz，產生的輻射極小。
圖3.Silent Switcher LED驅動器電路示例，針對最小輻射和最佳EMC特性進行了優化。
圖4顯示了圖3中電路的平均輻射發射。紅線顯示了CISPR 25規范中的相應限值。可以看出，此規范很容易達到（下沖）。
圖4.圖3中LT3922-1的平均輻射EMI (CISPR 25)。
諸如LT3922-1之類的低輻射LED驅動器，常常還提供激活擴頻調制(SSFM)功能的選項。這可能不會減少實際產生的輻射， 但它會將輻射分散到更寬的頻率范圍內。這樣，對于各個EMC標準，測量中可以獲得更好的結果。LT3922-1在所設置的開關頻率和該值的125%之間提供此功能。擴頻調制在VHV和UHV頻段中也會有非常顯著的影響，可將任何給定頻率的輻射降低到會影響無線電通信的水平之下。
像所有開關穩壓器一樣，對于LED驅動器，電路板布局的設計也非常關鍵。諸如Silent Switcher和Silent Switcher 2技術之類的現代創新有助于大幅改善EMC性能，但避免印刷電路板布局出現任何錯誤仍然很重要。正確放置傳導快速開關電流的關鍵元件，對于最大程度降低輻射發射尤其重要。這些路徑中產生的寄生電感應盡可能小。電流環路也應設計得盡可能緊湊。為了幫助用戶周全考慮這些方面，LT3922-1數據手冊之類的詳細文檔提供了有價值而明確的參考信息。
當今的某些現代LED驅動器特別注重使電磁輻射最小化。為此，它們采用了開關穩壓器領域中的一些關鍵創新，包括ADI Silent Switcher和Silent Switcher 2技術。利用這些IC進行設計時，為了符合EMI限值所要做的工作相對較少。
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