LED电源中电磁兼容性的设计方案

LED电源中电磁兼容性的设计方案

各类电源产品在设计阶段均需兼顾电磁兼容性能，LED 灯具产品对此项要求尤为突出。历经行业发展，针对 LED 灯具电磁干扰的检测、评定与存档相关规范已陆续落地成型。

未经管控的电磁干扰极易引发各类故障问题，近期我便遇到了相关实例：自家车库电动开门器原配 E27 白炽灯损毁，更换新式 LED 灯泡后灯具可正常点亮，但车库遥控开门功能彻底失效，由此能够判定，LED 灯具向外辐射的电磁波干扰了车库门配套无线电控模组。

开关电源的电磁辐射分为传导骚扰与辐射骚扰两类，LED 驱动电源产生的电磁干扰，既可经由供电线缆传导，也能依托磁耦合、容性耦合窜入周边线路。这类干扰虽极少造成器件损毁，但极易致使邻近电气组件出现工作异常。

综上，把产品电磁辐射控制在较低水平具备实际意义，而相关合规要求各区域均有明确规范。欧盟在售全品类电气电子产品必须加贴 CE 标识，该标识代表产品满足欧盟安全、健康及环保相关法令，唯有达标产品才可在欧洲经济区上市流通；全球其余地区也出台了多项电磁兼容准入规范，典型代表有 UL、CSA 等认证标准。

针对 LED 灯具的安全性能与电磁干扰，现行配套标准品类繁多，CISPR 11 是其中核心规范之一，CISPR 即国际无线电干扰特别委员会。除此之外，ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE 等机构也参照 CISPR 基准，制定了各类衍生规章与行业准则。

加装外接电源滤波器是抑制传导发射的成熟方案，该器件能够滤除线路中的共模噪声与差模噪声，适用频段大多在 30MHz 以内。不过滤波器的研发设计存在不小难度，多数产品仅针对特定频段优化，在其余工作频段中，元器件寄生参数会改变器件固有性能，进而影响滤波效果。举例来说，适配 100kHz 开关电源的滤波器可高效抑制该频点辐射，但开关电源往往会在超宽频段产生干扰，尤其 10MHz 以上高频区间干扰突出，此时受寄生参数与谐振现象影响，该款滤波器反而会加剧电磁辐射。

PCB 布线、无源元器件自带的寄生电感与寄生电容，是决定高频辐射抑制效果的关键参数，30MHz 至标准限定上限区间的辐射骚扰整改难度偏高，需要设计者具备充足的行业经验与专业储备。LED 驱动电源更是高频辐射高发品类，产品普遍采用 LED 串联驱动方案，串联回路会占用大面积 PCB 空间，线路布局极易形成等效天线，大幅提升电磁波向外辐射效率；加之 LED 需要透光，无法采用金属屏蔽罩做电路屏蔽，屏蔽方案成本高、落地难度大，因此从源头削减辐射发射量是最优解决思路。

在带内置电源的 LED 灯泡研发阶段，可通过下述几种方式优化产品电磁兼容表现：

●在电源输入、输出端口统一加装滤波器：在未明确产品实际干扰频谱的前提下选型用料，容易选用规格冗余的元器件，拉高物料与生产成本。

●沿用成熟定型的滤波器方案，放弃针对性定制优化：该做法同样会带来元器件成本偏高的问题，且滤波器无法贴合产品工况，滤波性能难以达到最优。

●外包专业工程师定制滤波器：需要长期维系外部技术资源，会额外增加项目研发开支。

●优先选用原生低辐射、电磁兼容指标优异的量产开关稳压芯片：依托芯片自身优良 EMC 属性，可大幅缩减甚至省去外围滤波器件。

市面上绝大多数 LED 驱动采用升压拓扑结构，图 1 为升压电路原理示意图。升压变换器输入端传导发射水平普遍偏低，输入回路无脉冲式电流（图示蓝色电流环路）；但输出端脉冲电流流经续流二极管（图示红色电流环路），致使输出侧骚扰强度偏高。功率开关管导通期间电感储能，续流二极管无电流通过，负载所需电能全部由输出电容供给。

图1.升压转换器电路图，这是LED驱动器的十分常见拓扑

图 1 里，导通阶段的电流用蓝色标注，关断阶段的电流用绿色标注。开关切换瞬间、电流在极短时段内出现突变的全部线路，在图 1 中统一标注为红色。该类线路仅需数纳秒，就能从导通载流状态切换至断电无流状态，属于电路关键走线。为削减辐射干扰，这类走线的布局需尽量精简紧凑。

依托技术创新，现阶段已有多款辐射指标远优于传统产品的开关稳压电源芯片推向市场。此类芯片的关键走线排布具备高度对称性，不同流向的电流所产生的磁场可实现大面积相互抵消，以此抑制辐射发射。

图2.应用于升压转换器，磁场相互抵消

图 2 呈现器件呈对称排布结构，顶部红色环路与底部红色环路各自生成的磁场幅值一致、极性相反，两种磁场能够相互抵消。除该项结构优化设计外，各关键走线的寄生电感得到大幅削减，辐射场强度随之明显下降。该磁场抵消方案依托专属功率晶体管排布结构落地，升压转换器内部功率晶体管同输出电容间的电流通路（热环路）长度，是决定对应磁场关联电感的核心因素。借助倒装芯片工艺可实现该通路尺寸大幅缩短，开关稳压集成电路的硅晶圆摒弃传统引线键合方案，改用铜柱与芯片外壳完成互连；铜柱自身具备更低电感参数。在开关电流速率维持一致的条件下，电路电压扰动幅度显著减小，辐射发射指标随之降低。综上，选用经过结构优化的 LED 驱动集成电路实现 EMI 大幅抑制具备较高可行性，部分工况下电路无需增设 EMI 滤波器，即可满足对应的 EMI 限定标准。

图 3 为一款低辐射发射的落地应用电路实例，该电路输入电压区间 8V~27V，用于驱动由 10 颗 LED 串联组成、额定工作电流 333mA 的灯串。该星型拓扑电路的开关工作频率设定为 2MHz，整体辐射发射量被控制在极低水平。

图3.驱动器电路示例

图4显示了图3中电路的平均辐射发射。红线显示了CISPR 25规范中的相应限值。可以看出，此规范很容易达到（下冲）。

图4.图3中平均辐射EMI (CISPR 25)

低辐射LED驱动器，常常还提供激活扩频调制(SSFM)功能的选项。这可能不会减少实际产生的辐射， 但它会将辐射分散到更宽的频率范围内。这样，对于各个EMC标准，测量中可以获得更好的结果。在设置的开关频率和该值的125%之间提供此功能。扩频调制在VHV和UHV频段中也会有非常显著的影响，可将任何给定频率的辐射降低到会影响无线电通信的水平之下。

像所有开关稳压器一样，对于LED驱动器，电路板布局的设计也非常关键。正确放置传导快速开关电流的关键元件，对于最大程度降低辐射发射尤其重要。这些路径中产生的寄生电感应尽可能小。电流环路也应设计得尽可能紧凑。

当今的某些现代LED驱动器特别注重使电磁辐射最小化。