倪新龍，馮金垣

（華南理工大學(xué)理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

LED驅(qū)動(dòng)前級(jí)EMI濾波保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

倪新龍，馮金垣

（華南理工大學(xué)理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

LED驅(qū)動(dòng)電源離不開(kāi)一個(gè)好的前級(jí)EMI濾波保護(hù)電路，它能為L(zhǎng)ED應(yīng)用在苛刻的場(chǎng)合提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的保護(hù)。為了達(dá)到較好的濾波效果，使用Pspice仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，而且濾波器采用多級(jí)濾波的方式提高插入損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明EMI濾波器對(duì)差模和共模干擾都有幾十到上百分貝的插入損耗效果，同時(shí)電路對(duì)浪涌和過(guò)電流可以進(jìn)行有效的保護(hù)。

EMI濾波；Pspice；插入損耗；浪涌；過(guò)電流

新一代照明光源LED要發(fā)揮其照明優(yōu)勢(shì)離不開(kāi)好的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源(SMP)的效率高，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備。但是SMP產(chǎn)生較大的電磁干擾(EM I)噪聲，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源是d?t/d和d?/dt 都很高的電力設(shè)備。前級(jí)EM I濾波器一方面減少電網(wǎng)干擾信號(hào)和電磁場(chǎng)環(huán)境的傳導(dǎo)干擾，確保開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和輸出的高精度；另一方面也阻止電源所供電的設(shè)備和電源本身產(chǎn)生的干擾傳導(dǎo)進(jìn)入電網(wǎng)。

LED需要恒定的工作電流才能減少光衰，保證各個(gè)燈珠的亮度、色度的一致性，體現(xiàn)出超長(zhǎng)壽命和高效均勻的照明優(yōu)勢(shì)。尤其在機(jī)場(chǎng)、鐵路等大功率、高要求的照明場(chǎng)合，電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，照明穩(wěn)定性和光源的壽命要求高，為了恒定驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流，需要最大限度地減少電磁干擾，而最為關(guān)鍵的就是有一個(gè)高性能的EM I濾波電路。

1 前級(jí)EMI濾波保護(hù)電路

1.1 EM I濾波保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

傳導(dǎo)干擾的頻率分布，通常頻率在10～100 kHz是差模干擾起主導(dǎo)作用，在0.1～1 MHz是差模與共模干擾聯(lián)合作用，1～30MHz是共模干擾起主導(dǎo)作用。

因?yàn)椴迦霌p耗與濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗的特性和數(shù)值均有關(guān)系[1]，而不同的應(yīng)用場(chǎng)合其源阻抗和負(fù)載阻抗各不相同，因此通常在源阻抗和負(fù)載阻抗極端失配情況下設(shè)計(jì)濾波器的結(jié)構(gòu)。在未知源負(fù)阻抗的情況下，采用多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)可以有效改善阻抗嚴(yán)重失配條件下的EM I濾波特性。本設(shè)計(jì)采用如圖1所示的濾波保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。其中EMI濾波器部分的共模與差模濾波等效電路分別如圖2和圖3所示。

圖1 EMI濾波保護(hù)電路

圖2 共模濾波等效電路

圖3 差模濾波等效電路

1.2 元件參數(shù)的選取

如圖1所示，在電網(wǎng)的接入端接上一個(gè)保險(xiǎn)絲F1和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的溫敏電阻RT1，保險(xiǎn)絲的作用是電路出現(xiàn)短路或浪涌大電流時(shí)斷開(kāi)以保護(hù)后置電路，可以選擇觸發(fā)電流約為2A的2410SFV系列的保險(xiǎn)絲。

負(fù)溫度系數(shù)的溫敏電阻的特性是溫度較低時(shí)呈現(xiàn)較大的電阻值，隨著溫度的升高其阻值呈下降趨勢(shì)，RT1的存在使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源有一個(gè)“軟啟動(dòng)”的過(guò)程，這對(duì)減小元器件的應(yīng)力有很大作用，并且如果溫度過(guò)高使得RT1很低以至于電流增大時(shí)觸發(fā)保險(xiǎn)絲斷開(kāi)，從而避免高溫下元器件的損壞。此設(shè)計(jì)中可以選擇NTC-5D-9型號(hào)的溫敏電阻。

壓敏電阻提供給后續(xù)電路一個(gè)浪涌電壓的控制，由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定以及各種自然環(huán)境條件的變化都可能給驅(qū)動(dòng)電源帶來(lái)巨大的浪涌電壓，例如雷擊產(chǎn)生的幾千甚至幾萬(wàn)伏以上的浪涌電壓會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生巨大威脅。壓敏電阻(MOV)的特性是電壓較低時(shí)流過(guò)的電流很小，呈“絕緣”狀態(tài)，而當(dāng)電壓超過(guò)某臨界值后電流隨電壓的增大會(huì)急速增大。壓敏電阻的電流和端電壓的關(guān)系可用式(1)表示：

本設(shè)計(jì)中選取R1的泄放電壓為350 V，R2和R3的泄放電壓為700 V。濾波電感和電容量的選擇要根據(jù)插入損耗、體積、漏電流、電容的介質(zhì)特性等因素選取。

通常把消除差模干擾的線間電容稱為X電容(X-Caps)，把消除共模干擾的線對(duì)地的電容稱為Y電容(Y-Caps)。常用的X電容由金屬化薄膜和紙構(gòu)成，而Y電容是專門(mén)的圓片陶瓷電容。薄膜電容的穩(wěn)定性較好，且具有自恢復(fù)特性，陶瓷電容沒(méi)有自恢復(fù)特性，專門(mén)用于任何情況下都不允許短路失效的場(chǎng)合。一般來(lái)說(shuō)X電容和Y電容必須是安規(guī)電容，特別是Y電容。X、Y電容的基本安全要求如表1和表2[3]所示。

表1 X電容安全要求

表2 Y電容安全要求(IEC 60384-14)

1.2.1 電容的選擇

X電容的選擇：X電容的失效不會(huì)引起人員觸電，一般容量取值相對(duì)較大。在允許范圍內(nèi)可通過(guò)更大的X電容來(lái)改善性能，但是不能使體積過(guò)于龐大。X電容的取值通常限制在0.01～0.22μF（偶爾可見(jiàn)到0.47μF）[4]。

Y電容的選擇：Y電容連接在相線與地線之間，為了不超過(guò)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)限定的電流泄漏值，通常取值較小。為了避免電擊發(fā)生，國(guó)際安規(guī)機(jī)構(gòu)限制流入設(shè)備地的電流有效值最大為0.25、0.5、0.7或3.5mA（取決于設(shè)備類(lèi)型和安裝類(lèi)別），其中0.5mA是默認(rèn)的工業(yè)設(shè)計(jì)值。設(shè)漏電流為，并聯(lián)Y電容流過(guò)的總電流為，等效漏電阻電流為，等效雜散電容電流

因此，6個(gè)Y電容只能選取每個(gè)是1 nF或者1.2 nF的容量。選用穿心電容（三端電容），兩根相連引線與一根引線分別為電容器兩個(gè)電極，使用時(shí)兩根相連的引線串聯(lián)在濾波電路中，另一端接濾波器回線。由于穿心電容外殼接地良好，幾乎完全隔離了輸出與輸入線之間的耦合，且接地電感很小，濾波效果很好。

1.2.2 電感的選擇

(1)共模扼流圈的選擇。LED驅(qū)動(dòng)電源屬于開(kāi)關(guān)電源，通常工作在20 kHz以上，產(chǎn)生的噪聲通常在100 kHz～30MHz范圍。最合適的低成本磁芯材料是鐵氧體材料、非晶態(tài)、微晶材料等，雖然磁導(dǎo)率很高，但是價(jià)格較高，漏電容影響大，漏磁通也較大，容易引起飽和。環(huán)形磁芯比E型和U型磁芯成本低，散磁和漏磁通小，是EM I濾波器經(jīng)常使用的磁芯結(jié)構(gòu)。為減少寄生電容及輸入輸出間的耦合，繞制時(shí)應(yīng)盡量采用單層線圈，起端與末端分開(kāi)越遠(yuǎn)越好。

共模濾波電容受泄漏電流限制，但是共模濾波電感不受漏電流限制，取值一般較大。設(shè)電感的等效電阻為，電網(wǎng)頻率為，工作電流為，電網(wǎng)頻率下電感上的壓降為：

然而在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于是大功率的驅(qū)動(dòng)電源情況下，采用兩個(gè)對(duì)稱的單獨(dú)差模電感以增強(qiáng)濾波的效果。通常采用損耗式鐵粉芯，磁導(dǎo)率很低，因此差模電感的電感量較低，一般在幾十至幾百微亨。本設(shè)計(jì)通過(guò)Pspice仿真軟件對(duì)d的取值進(jìn)行掃描分析以確定合適的電感量取值。

2 EMI濾波特性測(cè)試分析

2.1 插入損耗的參數(shù)影響分析

濾波器的典型插入損耗按照源阻抗和負(fù)載阻抗在50/50 Ω條件下測(cè)試。頻率30MHz以上再用電源噪聲電壓評(píng)價(jià)插入損耗與實(shí)際情況相差較大，因此世界上廣泛認(rèn)可EMI規(guī)范傳導(dǎo)干擾最高測(cè)試頻率為30 MHz，許多國(guó)際規(guī)范下限是150 kHz，某些通信規(guī)范需要測(cè)試到10 kHz。插入損耗是衡量EMI濾波效果的主要指標(biāo)，常用的計(jì)算公式如下：

本設(shè)計(jì)的仿真都是在Pspice中用交流信號(hào)源作為噪聲源，采用基本交流分析和參數(shù)掃描分析方法進(jìn)行分析，由于噪聲的幅值不改變插入損耗的曲線，所以本設(shè)計(jì)假定噪聲源幅值為110 V，未接EM I濾波器的負(fù)載電壓值為55 V，而且考慮實(shí)際情況下電感的等效并聯(lián)電容和電容的等效串聯(lián)電感的存在[5]，在此條件下計(jì)算出插入損耗曲線。

圖4 不同d下的插入損耗結(jié)果

由圖4可看出不同差模電感值對(duì)差模損耗和共模損耗的影響曲線存在一定的平移，但不存在隨著差模電感值的變化而從低頻到高頻一直同方向的變化，總存在交叉點(diǎn)。綜合考慮低頻時(shí)的差模插損和高頻時(shí)的共模插損以及電感的體積，選擇差模電感d=110μH較為合適。

如前所述Y電容的值可能有兩種，將兩種可能的取值結(jié)果對(duì)比，圖5為y=1.1、1.2 nF時(shí)的共模插入損耗。由圖5可知選擇y=1.2 nF更好?？梢?jiàn)在漏電流允許的范圍內(nèi)，Y電容量越大則插入損耗越好。

圖5 不同x下的共模插入損耗

圖6 不同x下的差模插入損耗

2.2 插入損耗結(jié)果

通過(guò)以上參數(shù)分析，確定了參數(shù)的選取結(jié)果，最終的EM I濾波器插入損耗測(cè)試結(jié)果在所有X電容取值為0.22μF，所有Y電容的取值為1.2 nF，共模電感c取值為8mH，差模電感d取值為110μH的條件下測(cè)得，如圖7所示。

最終插入損耗結(jié)果可以看出，EM I濾波器對(duì)于高頻段的共模干擾和低頻段的差模干擾都有幾十甚至超過(guò)一百分貝的插入損耗，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一個(gè)大功率LED驅(qū)動(dòng)前級(jí)EM I濾波保護(hù)電路需要考慮到各方面的影響因素。為保護(hù)驅(qū)動(dòng)不受過(guò)電流和浪涌電壓的影響，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選取合理參數(shù)的泄放和保護(hù)元件。為了實(shí)現(xiàn)濾波器的最大損耗，以及確保符合相關(guān)安全規(guī)定，同時(shí)還要考慮體積和成本等因素的影響，需要折中考慮元件參數(shù)的選擇來(lái)得到最佳的設(shè)計(jì)效果。Pspice是一個(gè)功能完善的電子設(shè)計(jì)仿真軟件，有效利用Pspice進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以取得事半功倍的效果。設(shè)計(jì)結(jié)果表明EM I濾波器具有理想的插入損耗。

圖7 EM I濾波器的最終插入損耗結(jié)果

[1]ZHANG D B,CHEN D Y.Measurementof noise source impedance of off-line converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2000,15(5):820-825.

[2]何金良.電磁兼容概論[M].北京：科學(xué)出版社，2010：186-187.

[3]周潔敏.開(kāi)關(guān)電源理論及設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：396-397.

[4]Maniktala S.精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)，譯.北京：人民郵電出版社，2008：250-253.

[5]張振新，趙德祥.EM I濾波器插入損耗分析與仿真[J].EMC電磁兼容，2008(6)：97-99.

Design of front-stage EM Ifilter and protective circuit for LED driver

NIXin-long,FENG Jin-yuan

LED driver power can'twork very wellwithouta good front-stage EMIfilter and protection circuit,which can provide a stability and reliable protection for LED in tough conditions.In order to achieve good filtering effect,the use of simulation software Pspice aided the design,and the filter used multilevel filtering structure to geta better insertion loss effect.Experimental results show that the EMIfilter interference on DM and CM has dozens to hundreds of dB insertion loss effect,at the same time surge and over current can be effectively protected by the circuit.

EMIfilter;Pspice;insertion loss;surge;overcurrent

TM 923

A

1002-087 X(2014)05-0965-04

2013-10-18

倪新龍(1987—)，男，湖南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)。