張明準(zhǔn)，秦會(huì)斌，胡艷蕊

（杭州電子科技大學(xué)，杭州310018）

60 W RGB LED電源的EMI濾波器設(shè)計(jì)與仿真*

張明準(zhǔn)*，秦會(huì)斌，胡艷蕊

（杭州電子科技大學(xué)，杭州310018）

介紹了一款60 W紅，綠，藍(lán)發(fā)光二極管（Red，Green and Blue Light-Emitting Diode，RGB LED）驅(qū)動(dòng)電源電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference）產(chǎn)生的機(jī)理及危害，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的低成本抗傳導(dǎo)EMI濾波電路。通過PSpice軟件建模，對所設(shè)計(jì)的濾波電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。所設(shè)計(jì)的EMI濾波電路使用在RGB LED電源樣機(jī)上，對樣機(jī)進(jìn)行了傳導(dǎo)EMI測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的EMI濾波電路具有25 dB的裕量。

電磁干擾；濾波器；PSpice仿真；LED驅(qū)動(dòng)

發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode）作為照明光源，因?yàn)槠涔庑У奶嵘?，長使用壽命以及不含有害重金屬汞等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的應(yīng)用，如廣告招牌燈，路燈，汽車尾燈，室內(nèi)照明燈。大功率照明LED的使用，需要低成本，高可靠性的LED驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源的功率高于25 W時(shí)，EMC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求驅(qū)動(dòng)電源必須滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款對電磁兼容的要求，電磁兼容中的傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）就是其中一項(xiàng)。文獻(xiàn)［1］中EMI解決方案是用到2顆共模電感和電容構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)所需要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但對LED驅(qū)動(dòng)電源來說，低成本和小體積是共同的目標(biāo)，兩顆磁性元件不利于成本的降低和體積的減小。文獻(xiàn)［2-3］所提出的解決EMI問題的方案是頻率抖動(dòng)技術(shù)或是適用于小功率的特殊電路結(jié)構(gòu)，這些技術(shù)的使用都很好的解決了電磁干擾的問題，但因?yàn)榇蠊β蔐ED驅(qū)動(dòng)電源的電路更加復(fù)雜，使用的半導(dǎo)體開關(guān)器件更多，EMI的問題更加嚴(yán)重，這些技術(shù)不適于推廣到更為廣泛的大功率的LED驅(qū)動(dòng)電源中［4］。基于以上的考慮，所設(shè)計(jì)的60 W RGB LED驅(qū)動(dòng)電源中，EMI濾波器的采取了共模（Common Mode）電感和差模 DM（Differential Mode）電感結(jié)合的方案，利用一個(gè)共模抑制電感器的漏感組成差模抑制電感器，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了磁性元件的個(gè)數(shù)，又能滿足設(shè)計(jì)要求，具有高性價(jià)比并易于推廣。本文主要闡述此EMI濾波器的設(shè)計(jì)過程，建模仿真及對原型機(jī)的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行測試與分析［5］。

1　原理與設(shè)計(jì)

1.1LED驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生機(jī)理

所設(shè)計(jì)的RGB LED驅(qū)動(dòng)電源的功能框圖如圖1所示。其中功率因素校正（PFC）電路的功率晶體管，諧振半橋電路的功率晶體管和諧振半橋輸出的整流二極管是開關(guān)電源型LED驅(qū)動(dòng)電源的電磁干擾源。圖2是PFC電路的簡圖，漏極電壓波形和電感電流波形。

圖160　W RGB LED驅(qū)動(dòng)電源框圖

圖2PFC電路和波形

圖2所示的電感電流波形斜率就是電流變化率di/dt，電流的變化會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，向外輻射，電流變化率越大，磁場越強(qiáng)，電磁輻射干擾越嚴(yán)重。二極管D1和場效應(yīng)晶體管Q1，交替導(dǎo)通工作，因?yàn)槎O管的反向特性，導(dǎo)致電壓VDS發(fā)生極大的變化，即dv/ dt極大，這個(gè)電壓的變化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電場，通過導(dǎo)體或附近零件耦合出去，也產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾。諧振半橋和輸出整流電路的情況也類似，諧振半橋電路的場效應(yīng)開關(guān)晶體管和輸出半導(dǎo)體整流二極管工作過程中因快速的開通和快速的關(guān)斷導(dǎo)致極大的電流變化率和電壓變化率，這就是電磁干擾的干擾［6］。

1.2EMI濾波電路設(shè)計(jì)

1.2.1共模濾波器設(shè)計(jì)

表1是60 W RGB LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)參數(shù)。因?yàn)榧t，綠，藍(lán)發(fā)光二極管的光通量和驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系有區(qū)別，因此3路輸出電流設(shè)定值不同［7］。

表160　W LED驅(qū)動(dòng)電源的參數(shù)

圖3是沒有EMI濾波電路的LED驅(qū)動(dòng)電源測試EN55015標(biāo)準(zhǔn)的EMI傳導(dǎo)測試結(jié)果，從測試結(jié)果看，考慮10 dB的設(shè)計(jì)裕量，EMI濾波器在200 kHz處需要衰減22 dB才能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3　不加EMI濾波器時(shí)的EMI測試結(jié)果

根據(jù)表1，可以計(jì)算出電源的輸入阻抗為：

LED驅(qū)動(dòng)電源中的PFC工作頻率為70 kHz，諧振半橋的工作頻率為35 kHz，EMI低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率需要大于10倍交流電源頻率。根據(jù)對以上的測試結(jié)果分析，即在200 kHz時(shí)需要衰減22 dB。圖4是所設(shè)計(jì)的二階共模濾波器的等效電路［8］。

圖4　二階共模濾波器等效電路圖

此濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中，ω是角頻率；RL是共模噪聲負(fù)載電阻。

ζ系數(shù)的大小反應(yīng)二階濾波器時(shí)域響應(yīng)在轉(zhuǎn)折頻率處的增益大小不同，圖5顯示了他們之間的關(guān)系。因?yàn)槎A濾波器在轉(zhuǎn)折頻率后每倍頻程衰減12 dB。因此在200 kHz處需要衰減22 dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求濾波器的轉(zhuǎn)折頻率由方程（3）可計(jì)算出為fcutoff=56.1 kHz。

RL通常選50Ω，為了在轉(zhuǎn)折頻率處不產(chǎn)生振蕩，選擇最小阻尼系數(shù)ζ為0.707。根據(jù)上面這些參數(shù)可以計(jì)算元件的值如下：

因?yàn)镋MC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的滿足漏電流要求的最大Y電容值為0.05 uF，為安全考慮，此設(shè)計(jì)中的Y電容選擇6.8 nF，因此需要選定最小值1.2 mH的電感值來設(shè)計(jì)濾波器。計(jì)算濾波器的實(shí)際轉(zhuǎn)折頻率為55.7 kHz，接近并小于56.1 kHz。實(shí)際阻尼系數(shù)為ζ=4.2，實(shí)際阻尼系數(shù)大于等于1都是可以接受的［9］。

圖5　不同阻尼系數(shù)的二階頻率響應(yīng)

1.2.2差模濾波器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的差模濾波器是П型差模濾波器［10，11］，其等效電路如圖6所示。

圖6　三階差模濾波器等效電路圖

上一節(jié)已經(jīng)計(jì)算得到電源輸入阻抗 Rin為121.1Ω。因?yàn)槿A濾波器在轉(zhuǎn)折頻率后每倍頻程衰減18 dB，因此在200 kHz處需要衰減22 dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fcutoffdm由方程（4）計(jì)算得到為85.72 kHz。

根據(jù)方程（5）計(jì)算電感值為0.226 mH：

根據(jù)方程（6）計(jì)算電容值為0.015 3 μF。

根據(jù)方程（5）、方程（6）的計(jì)算結(jié)果，選擇差模電感值為300 μH，電容值為0.2 μF是合理的。

1.2.3EMI濾波器整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合前面兩節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)果，得到完整的EMI濾波電路圖如圖7所示。

圖7　完整的EMI濾波器電路圖

其中，L1a和L1b是共模電感的兩個(gè)繞組，感值均為最小1.2 mH，L1a′和L1b′是共模電感的漏感，最小感值為150 μH。共模電感選擇鐵氧體EE20磁芯，雙線槽骨架。Y電容CY1和CY2均為6.8 nF，X電容CX1和CX2均為0.1 μF。此電路的特別之處就在于利用共模電感的漏感提供差模濾波器需要的差模感量，減少了磁性材料的使用，降低了成本并簡化了濾波器的結(jié)構(gòu)。

2　仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1仿真

Cadence OrCAD的PSpice是電力電子領(lǐng)域用于仿真的軟件，其強(qiáng)大的功能體現(xiàn)在它豐富的模型庫和多樣的建模方式上。對于EMI濾波器電路來說，用PSpice建模的重點(diǎn)是共模電感和差模電感的模型方面，由于高頻干擾信號(hào)會(huì)受寄生參數(shù)的影響，模型需要將存在的寄生參數(shù)考慮進(jìn)去［12］。差模電感使用線性電感模型；共模電感使用兩個(gè)線性電感模型并用線性磁芯模型來耦合，仿真原理圖如圖8所示。圖8中第1個(gè)虛線框內(nèi)是50 μH/50 Ω電源線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) LISN（Line Impedance Stabilizer Network），其在傳導(dǎo)電磁干擾EMI測試中具有如下作用：（1）使電網(wǎng)能提供一個(gè)50 Ω穩(wěn)定阻抗，即待測設(shè)備端子與地之間具有一個(gè)穩(wěn)定的阻抗；（2）LISN使待測試設(shè)備與公共電源之間的干擾信號(hào)隔離，使電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入不了待測試設(shè)備中，同時(shí)待測試設(shè)備中的干擾信號(hào)也進(jìn)入不了電網(wǎng)中，而只能耦合到測試接收機(jī)中去；（3）利用LISN來耦合待測設(shè)備的干擾信號(hào)，相當(dāng)于干擾信號(hào)獲取設(shè)備。因此，LISN在傳導(dǎo)EMI測試中具有非常重要的作用。

圖8　仿真使用的原理圖模型

圖8中第二個(gè)虛線框中是一個(gè)П型的差模濾波器，有線性電感模型L1，L2，X電容CX1，CX2組成，作用是衰減差模干擾信號(hào)。圖8中第三個(gè)虛線框中是共模濾波器，共模電感模型是由線性電感模型L3和L4經(jīng)線性磁芯模型K1耦合后得到的，共模濾波器由共模電感模型和Y電容CY1，CY2組成，其作用是衰減共模干擾信號(hào)。另外，R8和C5是電源L線與地之間因差模和共模電感導(dǎo)致的高頻寄生參R9和C6是電源N線與地之間因差模和共模電感導(dǎo)致的高頻寄生參數(shù)［13］。V1是交流激勵(lì)源。設(shè)置好激勵(lì)源，共模電感，差模電感和線性磁芯耦合模型的參數(shù)后，就可以設(shè)置仿真參數(shù)并運(yùn)行AC Sweep仿真，圖9便是運(yùn)行仿真后得到的結(jié)果。這個(gè)曲線是輸出電壓比上輸入電壓后得到的EMI濾波器的傳遞函數(shù)，從傳遞函數(shù)的波形可以看出，此低通EMI濾波器的截止頻率為56 kHz左右，與前面的計(jì)算結(jié)果相一致。

圖9　PSpice仿真EMI濾波器的傳遞函數(shù)

在PSpice仿真結(jié)果中添加傳遞函數(shù)的波特圖，便可以得到圖10所示的仿真結(jié)果，從圖10可以看出，EMI濾波器在200 kHz的頻率處衰減24 dB左右，與前面設(shè)計(jì)目標(biāo)相近。因此仿真的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)的正確。

圖10　PSpice仿真EMI濾波器的波特圖

2.2實(shí)驗(yàn)

對帶有所設(shè)計(jì)的EMI濾波器電路的RGB LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行傳導(dǎo) EMI測試驗(yàn)證，按照標(biāo)準(zhǔn)EN55015進(jìn)行測試，圖11是測試設(shè)備及待測的LED驅(qū)動(dòng)電源連接安裝圖。圖12是傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。

圖11EMI測試安裝圖

圖12帶EMI濾波器時(shí)EMI測試結(jié)果

圖12的測試結(jié)果滿足EN55015標(biāo)準(zhǔn)的要求，但存在不足的地方是24 MHz～28 MHz的高頻處的裕量不足，其原因有以下兩點(diǎn)：（1）所選擇的電容器自身等效串聯(lián)電阻及由線腳引起的等效串聯(lián)電感的存在，導(dǎo)致高頻阻抗變化；（2）RGB LED電源板上面集成了Wi-Fi模塊，高頻Wi-Fi信號(hào)接近EMI濾波器并將高頻干擾耦合到輸入線。這兩點(diǎn)都是可以通過其他方法來抑制，但不在本文討論的范圍之內(nèi)。

3　結(jié)　論

本文通過對LED電源傳導(dǎo)電磁干擾的分析，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的低成本電磁干擾低通濾波器，經(jīng)過對所設(shè)計(jì)的濾波器電路參數(shù)的仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，對使用所設(shè)計(jì)的EMI濾波器的60 W RGB LED電源進(jìn)行傳導(dǎo)EMI測試，測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。測試結(jié)果同時(shí)也反映出20 MHz～30 MHz的高頻段裕量不足的問題，這是電源電路中引入高頻工作的Wi-Fi模塊等原因造成的，這一結(jié)果表明智能電源或家具等產(chǎn)品因引入高頻工作的通訊模塊而導(dǎo)致的電磁干擾問題需要引起注意。

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張明準(zhǔn)（1983-），2006年于湖北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殚_關(guān)電源技術(shù)和抗電磁干擾技術(shù)，zhangmingzhun@163.com；

秦會(huì)斌（1961-），1983年獲得山東大學(xué)學(xué)士學(xué)位，分別于1990年、1996年獲得電子科技大學(xué)碩士和博士學(xué)位，現(xiàn)為杭州電子科技大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)樾滦碗娮悠骷难邪l(fā)與應(yīng)用、抗電磁干擾技術(shù)等，qhb@hdu.edu.cn。

DesignandSimulationforEMIFilterof 60W RGB LED PowerSupply*

ZHANG Mingzhun*，QIN Huibin，HU Yanrui
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The mechanism and hazard of EMI（Electromagnetic Interference，EMI）of a 60 W Red，Green，and Blue leds（Red，Green，and Blue Light-emitting Diode，RGB LED）power supply was introduced.A low cost EMI filter with simple structure was designed.A PSpice model of EMI filter was built，and parameters of EMI filter designed were simulated according to the PSpice model.The EMI filter was used in a prototype of RGB LED power supply，and EMI test result for LED power supply with EMI filter circuit verify the validity of proposed EMI filter.

EMI；filter；PSpice simulation；LED driver

TM925

A

1005-9490（2016）05-1204-05

項(xiàng)目來源：浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015F0024）

2015-10-30修改日期：2015-11-19

EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.036