非常見問題集:控制LED驅動器的EMI

作者:ADI 現場應用工程師Frederik Dostal


問題:

在照明設計中使用LED驅動器時,如何降低其電磁干擾?

RAQ Issue: 182

答案:

可使用Silent Switcher®電源。

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優選。但在大多數應用中,僅憑LED本身卻還無法實現其功能。LED必須採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達到高效以降低能耗,LED主要使用開關電源的原因正在於此。

無論什麼類型的電源,都應當考慮電磁相容性。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、評估和記錄標準均已紛紛確立。

不受控制的電磁干擾可能會帶來嚴重後果。就在最近,我對此有了直覺感觸。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燈泡後,燈又亮了起來。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透過電源線傳輸,也可以磁耦合或相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標誌。CE標誌證明產品符合歐盟關於安全、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。

目前存在許多專門涉及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。還有許多其他基於CISPR標準的規定和法規,包括ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE等。

採取適當措施並使用外加的電源線濾波器,可以確定地減少傳導發射。此類濾波器用於濾除共模或差模雜訊。在這裡,作用的頻率範圍通常低於30 MHz。但是,開發此類濾波器並非那麼簡單。濾波器通常針對特定頻率範圍進行優化。在其他頻率範圍,寄生效應以及其引起的元件特性變化可能會造成影響。例如,一個濾波器可以有效地降低100 kHz開關電源所產生的輻射。然而,電源通常會在很寬廣的頻率範圍內產生輻射,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於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。在這裡,PCB佈線及被動電路元件的寄生電感和電容的大小產生決定性的作用。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。特別是LED燈的驅動,輻射發射水準可能非常高。通常是驅動一串LED,此串聯電路常常需要佔用電路板上的大量空間。因此,其幾何佈局具有天線的特性,所產生的發射被特別有效地輻射出。遮罩電路複雜且昂貴,甚至因為光線無法穿過金屬板遮罩層,對LED甚至不能使用金屬板遮罩。因此,解決之道在於限制所產生的輻射發射量。

設計帶電源的LED燈泡時,請注意以下關於電磁相容性的可能性:

  • 在電源的所有輸入和輸出端增加濾波器,但並不真正瞭解具體的輻射情況。這通常導致需要為尺寸過大的元件付出高成本,而且製造成本也會提高。
  • 重複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。這裡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。
  • 委託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援。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。輸入電流不是脈衝式(藍色電流迴路)。但在輸出端,發射非常高,因為其中有脈衝電流流過反激二極體(紅色電流環路)。在導通時間內(即接地開關導通時),電感充電,沒有電流流過反馳二極體。在此時間段內,為負載供電的總能量來自輸出電容。

 

Figure 1. Circuit diagram of a boost converter, a very common topology for LED drivers.
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,從而降低輻射發射。

得益於技術創新,輻射發射比以前低得多的開關穩壓器IC最近已上市。關鍵路徑的佈置非常對稱,以至於不同方向的電流產生的磁場大部分相互抵消。

Figure 2. Silent Switcher concept applied to a boost converter with magnetic fields that cancel each other out. raq-issue-182-fig-02
圖2.應用於升壓轉換器的Silent Switcher概念,磁場相互抵消。

圖2顯示了此拓撲的對稱排列。頂部紅色迴路中產生的磁場與底部紅色迴路中產生的磁場大小相同,但方向相反,因而彼此抵消。ADI稱此技術為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拓撲利用專有功率電晶體佈局來實現這種磁場抵消效果。升壓轉換器的功率電晶體和輸出電容之間的路徑(熱迴路)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。這是透過所謂的倒裝晶片技術實現的。開關穩壓器IC中的矽不是透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準。所以透過使用優化LED驅動器IC來大幅降低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。對於這個星鏈結構,開關頻率為2 MHz,產生的輻射極小。

Figure 3. Example circuit for a Silent Switcher LED driver optimized for minimal emissions and the best EMC behavior.
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規範中的相應限值。可以看出,此規範很容易達到(下衝)。

Figure 4. Average radiated EMI (CISPR 25) from the LT3922-1 in Figure 3.
圖4.顯示了圖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,常常還提供啟動擴頻調變(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範圍內。 如此一來,對於各個EMC標準,在測量中可以獲得更好的結果。LT3922-1在所設定的開關頻率和該值的125%之間提供此功能。擴頻調變在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訊的水準之下。

像所有開關穩壓器一樣,對於LED驅動器,電路板佈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於大幅改善EMC性能,但避免印刷電路板佈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,對於大幅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。電流迴路也應設計得盡可能精小。為了幫助用戶周全考慮這些方面,LT3922-1資料手冊之類的詳細文檔提供了有價值而明確的參考資訊。

目前的某些現代LED驅動器特別注重使電磁輻射最小化。為此,它們採用了開關穩壓器領域中的一些關鍵創新,包括ADI的Silent Switcher和Silent Switcher 2技術。當運用這些IC來進行設計時,為符合EMI限值所需進行的工作便可相對減少。