電磁兼容（EMC）是在電學(xué)中研究意外電磁能量的產(chǎn)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(huán)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(huán)境中的任何設備產(chǎn)生難以忍受的電磁干擾之能力。習慣上說(shuō)，EMC包含EMI（電磁干擾）和EMS（電磁敏感性）兩個(gè)方面。
電磁干擾（EMI）是指任何在傳導或電磁場(chǎng)伴隨著(zhù)電壓、電流的作用而產(chǎn)生會(huì )降低某個(gè)裝置、設備或系統的性能，或產(chǎn)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(lái)說(shuō)，電磁干擾問(wèn)題是一直存在于設計中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如何能解決這個(gè)問(wèn)題？我們先來(lái)看看影響電磁兼容的幾個(gè)因素。
一 影響EMC的幾個(gè)因素
(1)驅動(dòng)電源的電路結構
最初的LED電源就是線(xiàn)性電源，但是線(xiàn)性電源在工作時(shí)會(huì )以發(fā)熱的形式損耗大量能量。線(xiàn)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(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。雖然笨重，發(fā)熱量大，優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)電源，都是以 PWM形式的LED驅動(dòng)電源是讓功率晶體管工作在導通和關(guān)斷狀態(tài)。在導通時(shí)，電壓低，電流大;關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小，因此功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗也很小。缺點(diǎn)比較明顯的是，電磁干擾(EMI)也更嚴重。
(2)開(kāi)關(guān)頻率
LED電源的電磁兼容出現問(wèn)題一般是開(kāi)關(guān)電路的電源中。而開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源之一。
開(kāi)關(guān)電路是LED驅動(dòng)電源的核心，開(kāi)關(guān)電路主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)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(chǎn)生的主要原因是：開(kāi)關(guān)管負載為高頻變壓器初級線(xiàn)圈，是感性負載。
圖1：開(kāi)關(guān)脈沖尖峰的產(chǎn)生
導通瞬間，初級線(xiàn)圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線(xiàn)圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;斷開(kāi)瞬間，由于初級線(xiàn)圈的漏磁通，致使部分能量沒(méi)有從一次線(xiàn)圈傳輸到二次線(xiàn)圈，電路中形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。
高頻脈沖產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在LED電源系統中，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生電流尖峰信號，而當負載電流變化時(shí)也會(huì )產(chǎn)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：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在開(kāi)關(guān)電路頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適宜高頻;在高頻應用中，最好采用多點(diǎn)接地�；旌辖拥厥堑皖l用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線(xiàn)布局是關(guān)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(xiàn)對防止EMI是至關(guān)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(kāi)關(guān)電路的占空比，單片機的看門(mén)狗系統對整個(gè)LED電源的運行起著(zhù)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(jìn)進(jìn)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(mén)狗"電路可以自己設計也可以用專(zhuān)門(mén)的"看門(mén)狗"芯片來(lái)搭建。這樣，假如程序系統陷進(jìn)一個(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著(zhù)"喂狗"信號的話(huà)，那么該復位電路就無(wú)法實(shí)現它的應有的功能了。
�、诂F在越來(lái)越多的LED電源都帶有自己的片上復位系統，這樣用戶(hù)就可以很方便的使用其內部的復位定時(shí)器了，但是，有些智能LED電源的控制電路復位指令太過(guò)于簡(jiǎn)單，這樣也會(huì )存在象上述死循環(huán)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(dòng)電源的電磁干擾問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面入手：
1.減少開(kāi)關(guān)電源本身的干擾
�、佘涢_(kāi)關(guān)技術(shù)：在原有的硬開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)過(guò)程中的du/dt和di/dt，使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升，或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升，來(lái)消除電壓和電流的重疊。
�、陂_(kāi)關(guān)頻率調制技術(shù)：通過(guò)調制開(kāi)關(guān)頻率fc，把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周?chē)念l帶上，以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMI幅值。
�、墼骷倪x擇：選擇不易產(chǎn)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(lèi)元器件的選用。反向恢復電流小、恢復時(shí)間短的快速恢復二極管是開(kāi)關(guān)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(wǎng)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(guò)導線(xiàn)產(chǎn)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(kāi)關(guān)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(jiǎn)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(lái)濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。當出現共模干擾時(shí)，由于L中兩個(gè)線(xiàn)圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)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(guò)，故稱(chēng)作共模扼流圈。它的兩個(gè)線(xiàn)圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)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(jìn)線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源適配器的電磁干擾
圖3中曲線(xiàn)a為不加EMI濾波器時(shí)開(kāi)關(guān)電源適配器上0.15MHz~30MHz傳導噪聲的波形。
曲線(xiàn) 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(shuō)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(fā)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(gè)頻點(diǎn)的插入損耗值，最后匯出插入損耗曲線(xiàn)。
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�(xiàn)干擾可以使用電源線(xiàn)濾波器濾除。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應該對電源線(xiàn)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(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)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(shí)踐證實(shí)，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會(huì )對LED電源系統的可靠性產(chǎn)生不利影響。
PCB抗干擾設計主要包括PCB布局、布線(xiàn)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(fā)的交流聲頻率一般為50HZ左右，而地線(xiàn)布線(xiàn)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(jué)的。
正確的布線(xiàn)方法是，選擇主濾波電容引腳作為集中接地點(diǎn)，強、弱信號地線(xiàn)嚴格區分開(kāi)，在總接地點(diǎn)匯總。
因此，在設計印刷電路板的時(shí)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(jìn)/輸出也是干擾源的傳導線(xiàn)，和接收射頻干擾信號的拾檢源，我們設計時(shí)一般要采取有效的措施：
�、俨捎帽匾墓材�/差模抑制電路，同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)進(jìn)。
�、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�
室外使用的LED電源系統或從室外排擠引進(jìn)室內的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)，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(shí)，通常為數十V或數百V，氣體擊穿放電，將電源線(xiàn)上強沖擊脈沖導進(jìn)大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當兩端電壓高于某一值時(shí)導通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數百乃上千A的電流。 |
