熒光燈電子鎮(zhèn)流器的EMI濾波器設計

董海濱

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

1 引言

電磁干擾 (即EMI)造成的電磁污染是繼大氣污染、水污染和噪聲污染后的第四大污染，威脅電子電氣設備安全運行和威脅人類健康和社會生活，所以研究電子鎮(zhèn)流器的EMI濾波電路，使其符合國家標準CISPR15—2007，具有重大的現(xiàn)實意義和應用價值。

2 電子鎮(zhèn)流器的基本組成

一個基本的電子鎮(zhèn)流器的框圖如圖1所示，包含EMI濾波電路，整流電路，濾波電路，功率因數(shù)校正電路，半橋逆變電路和自啟動電路，燈負載等部分。

圖1 基本的電子鎮(zhèn)流器框圖

圖1中第一部分為EMI濾波電路，主要抑制因傳導和輻射所引起的EMI干擾。就電子鎮(zhèn)流器而言，電磁兼容問題主要是防止它的高頻信號通過電源線傳導出去，干擾其他電氣設備的正常工作;而其他的電器設備一般情況下不會對電子鎮(zhèn)流器的正常工作 (強烈的電磁干擾如雷電除外)造成干擾。

3 電子鎮(zhèn)流器的傳導干擾來源

電子鎮(zhèn)流器工作時產(chǎn)生的電磁噪聲通過輸入電源線傳導到電網(wǎng)中，引起傳導干擾，對周圍的電磁環(huán)境造成污染，并影響該環(huán)境中其他電子設備或系統(tǒng)的正常工作。電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾主要來自以下幾個方面:

(1)元器件的固有噪聲，包括熱噪聲，散粒噪聲，接觸噪聲。

(2)半導體二極管在開關過程中產(chǎn)生的電磁噪聲。在快速開通和關斷的同時，瞬時變化的電壓和電流，會形成很強的電磁噪聲。

(3)功率半導體器件在開關過程中，會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電壓或電流并引起寄生振蕩。開關頻率越高，開關電流越大，所引起的瞬態(tài)電磁噪聲也越大。功率半導體器件在交流電網(wǎng)上產(chǎn)生的傳導干擾，是傳導干擾的主要來源，這種噪聲分差模與共模。

(4)在采用高頻泵或雙泵電路的無源功率因數(shù)校正電路中，功率開關管的高頻開關信號通過反饋元件加到輸入端，經(jīng)過電源進線送入電網(wǎng)中，形成傳導干擾。

4 電氣照明設備EMI標準及限值

根據(jù)CISPR15—2007《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》的要求，在不同頻率下的電磁干擾的準峰值和平均值如表1所示，要求鎮(zhèn)流器的傳導干擾低于表1的值。

表1 電源端子騷擾電壓限值

基于實驗室之間的差異和樣品之間的差異，設計樣品的電磁干擾要保留6dB的富裕量，確保量產(chǎn)的所有產(chǎn)品都能滿足傳導干擾的要求。

5 電子鎮(zhèn)流器的EMI抑制技術

濾波、屏蔽與接地是電磁兼容性設計通用的三種方法，濾波與接地主要是針對電路中的傳導干擾而言;屏蔽主要是針對電路的輻射干擾。濾波是抑制電路傳導干擾的最有效和最經(jīng)濟的方法。由于各種干擾在系統(tǒng)的入口處最為嚴重，所以EMI濾波器均插入系統(tǒng)或電源端的接口處。

電子鎮(zhèn)流器采用的EMI濾波器類型有C型 (一個電容)，L型 (一個電感和一個電容)，T型 (兩個電感和一個電器)，π型 (一個電感和兩個電容)，雙π型 (一個共模電感和兩個電容)和混合型等幾種，如圖2所示。在電子鎮(zhèn)流器中采用圖2(b)和 (d)所示的混合結(jié)構(gòu)，或在雙π型結(jié)構(gòu)中再加一級共模電感。

圖2 EMI濾波器類型

圖2(a)所示的純電容濾波器為低通濾波器，主要應用于濾除高阻抗線路上的高頻信號，電容值一般選定為0.1至0.5μF。

圖2(b)所示為 L型濾波器，主要在電路和負載電阻值有很大的差異時的情況下適用，在熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路中使用時，其L值一般設定為不低于1mH，C值一般設定在0.1μF左右。

圖2(c)所示為π型濾波器，主要是在輸入電阻與輸出電阻大致相等并且?guī)馑p需要很大的情況下適用。

圖2(d)所示為雙π型濾波器，比較廣泛的在電子鎮(zhèn)流器電路中應用，其中 L1和 L2的繞線組是在同一個磁芯上對稱的繞成。

圖2(e)所示為復合型濾波器，較為普遍使用在30W以上的電子鎮(zhèn)流器電路中。

采用濾波電路后，能有效的濾除電子鎮(zhèn)流器中高頻振蕩所產(chǎn)生的共模和差模干擾，避免它們通過電源線泄漏出去，干擾其他電氣設備的正常工作。

在選擇EMI濾波器元件時，應保證使濾波器的諧振頻率遠低于電子鎮(zhèn)流器的工作頻率，以防止磁飽和，失去濾波器的作用。

6 電子鎮(zhèn)流器的EMI濾波電路

電子鎮(zhèn)流器常用的濾波電路如圖3所示。一般來說，對9k～150kHz低頻段采用差模濾波器比較有效，而對150kHz～30MHz的高頻段采用共模濾波器比較有效，有時一級共模濾波器不夠，還要采用兩級共模濾波器才可以。

圖3 濾波電路

7 濾波電路設計

在設計電子鎮(zhèn)流器的EMI濾波器時，除了對濾波效果有所要求外，還要考慮經(jīng)濟和成本問題。在滿足EMC測試要求的前提下，使電路結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟，占用空間最小，同時在性能上要有一定的富裕量，達到滿意的性價比。

EMI以傳導和輻射兩種方式傳播。能量通過磁場或電場耦合，或以干擾源與受擾設備間的電磁波形式傳播，稱為輻射干擾。傳導干擾是指EMI能量通過電源線，數(shù)據(jù)線，公共地線等產(chǎn)生或接收。

電子鎮(zhèn)流器的傳導干擾方式可分為兩類:即共模干擾 (CM)和差模干擾 (DM)。共模干擾是指相線L以及中線N與地GND之間存在相位相同，幅度相等的干擾信號。差模干擾是指在相線L與中線N之間存在幅度相等，相位相反的干擾信號。前一類來自電磁空間輻射，分布電容的寄生耦合，漏磁感應，即同一干擾源通過寄生參數(shù)耦合到相線和中線上，它對每一根電源線的作用基本上是相同的，因而所產(chǎn)生的干擾電壓是共模的。

電子鎮(zhèn)流器的外殼如果是塑料的，其分布電容效應較小，電路前后級之間的耦合小，所以產(chǎn)生的共模干擾較小，比較容易通過EMI測試;如果采用金屬外殼，由于元器件和外殼之間存在分布電容，前后級之間存在一定的耦合，不容易通過測試。一個實際的工程例子如圖4所示。

電子鎮(zhèn)流器的工作頻率也是影響EMI的一個關鍵因素，鎮(zhèn)流器的工作頻率越低，EMI測試越容易通過EMI測試;反之，則不容易通過測試。一個實際的例子如圖5所示。

圖4 實際的工程例子

圖5 實際的例子

為了了解差模濾波器與共模濾波器對抑制干擾的作用，可以把電子鎮(zhèn)流器EMI的測試的頻率范圍從9kHz到30MHz分為低，中，高三個頻段，即9～150kHz，150kHz～2.0MHz，2.0～30MHz三段。

(1)低頻段9～150kHz

這個頻段的干擾主要以差模干擾為主，加大差模電容Cd的容量，或在相線中線串接共模電感，干擾幅度也會降低，而且隨著頻率的增加，共模干擾的影響越來越嚴重。如在電子鎮(zhèn)流器中，再加一級共模電感，這個頻段中的干擾都將大幅降低。

(2)中頻段150kHz～2MHz

這個頻段同時存在差模干擾和共模干擾，但以共模干擾為主。為了消除中頻段的干擾，可以改變共模電感的電感量或兩個共模電感的電感量的相對大小。

(3)高頻段2.0～30MHz

這個頻段存在的干擾主要是共模干擾，差模干擾的影響較小。如果這個頻段的EMI測試不能滿足要求，要從改善共模濾波器的濾波效果來想辦法。

本文所研究的電路是帶有高頻反饋的電子鎮(zhèn)流器電路，整個系統(tǒng)由EMI濾波電路，整流電路，濾波電路，功率因數(shù)校正電路，控制電路，燈諧振電路和保護電路等六部分組成。

EMI濾波電路由混合型濾波電路構(gòu)成，包括差模電感L1，差模電容C01，C02和共模電感 L2組成，可以有效的抑制電路中存在的共模和差模干擾。

整流濾波電路由四個整流二極管 PGR10J、CBUF(C2，C3)和反饋電容C1組成，它能將220V交流輸入整流濾波為310V(2 2 0槡 2)左右的DC電壓。輸入端的FUSE為250mA的電流保險絲，主要用于在異常情況下的過電流保護。控制電路由UBA2211組成，主要實現(xiàn)對燈絲的預熱、點火和穩(wěn)定運行時電流的控制。諧振電路由C6和L3組成，主要為燈絲點火提供高壓脈沖，如圖6所示:

圖6 諧振電路

圖7 是其傳導干擾的譜圖。從圖中可看到，該電路的 EMI傳導測試中在150kHz-1MHz處超標(－34.0dB)。

根據(jù)電路的拓撲結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品要符合的EMC要求，對電路中存在的差模和共模干擾，我們采用混合型的EMI濾波電路。

在圖8中，C01，C02和L1，L2等組成LC電磁干擾的濾波電路。兩個電容一般取0.01～0.33uF，共模電感 L1一般取30～60mH，差模電感 L2取1～6mH。

圖7 傳導干擾的譜圖

圖8 濾波電路

本電路中，選取C01=330nF，C02=100nF，L1=5.6mH，L2=60mH為EMI濾波器的參數(shù)，可以得到明顯的EMI效果改善 (+10.5dB富裕量)，如圖9所示。

圖9 EMI濾波器參數(shù)圖

8 總結(jié)

本文針對T5熒光燈電子鎮(zhèn)流器存在的傳導干擾，分析了產(chǎn)生傳導干擾的原因以及共模抑制濾波電路和差模抑制電路在電子鎮(zhèn)流器傳導干擾中的應用，針對具體的28W電路的干擾提出了抑制方法。實踐證明濾波是一個比較理想又比較經(jīng)濟的抑制方法。所使用的元器件主要為電感、電容、電阻等普通的電子元器件。濾波器調(diào)試的重點在于參數(shù)的匹配。只要調(diào)試得當，其抑制干擾的性能是比較好的。電子元器件的性能直接影響著電路的電磁兼容性。隨著電子元器件材料的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的濾波、屏蔽技術應有新的發(fā)展。

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