LED驅(qū)動前級EMI濾波保護電路的設(shè)計

倪新龍，馮金垣

（華南理工大學理學院，廣東 廣州 510640）

LED驅(qū)動前級EMI濾波保護電路的設(shè)計

倪新龍，馮金垣

（華南理工大學理學院，廣東 廣州 510640）

LED驅(qū)動電源離不開一個好的前級EMI濾波保護電路，它能為LED應用在苛刻的場合提供一個穩(wěn)定可靠的保護。為了達到較好的濾波效果，使用Pspice仿真軟件進行輔助設(shè)計，而且濾波器采用多級濾波的方式提高插入損耗。實驗結(jié)果表明EMI濾波器對差模和共模干擾都有幾十到上百分貝的插入損耗效果，同時電路對浪涌和過電流可以進行有效的保護。

EMI濾波；Pspice；插入損耗；浪涌；過電流

新一代照明光源LED要發(fā)揮其照明優(yōu)勢離不開好的驅(qū)動開關(guān)電源。開關(guān)電源(SMP)的效率高，因此廣泛應用于工業(yè)設(shè)備。但是SMP產(chǎn)生較大的電磁干擾(EM I)噪聲，因為開關(guān)電源是d?t/d和d?/dt 都很高的電力設(shè)備。前級EM I濾波器一方面減少電網(wǎng)干擾信號和電磁場環(huán)境的傳導干擾，確保開關(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)生的干擾傳導進入電網(wǎng)。

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

1 前級EMI濾波保護電路

1.1 EM I濾波保護電路結(jié)構(gòu)

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

因為插入損耗與濾波器的源阻抗和負載阻抗的特性和數(shù)值均有關(guān)系[1]，而不同的應用場合其源阻抗和負載阻抗各不相同，因此通常在源阻抗和負載阻抗極端失配情況下設(shè)計濾波器的結(jié)構(gòu)。在未知源負阻抗的情況下，采用多級濾波結(jié)構(gòu)可以有效改善阻抗嚴重失配條件下的EM I濾波特性。本設(shè)計采用如圖1所示的濾波保護電路結(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)的接入端接上一個保險絲F1和一個負溫度系數(shù)的溫敏電阻RT1，保險絲的作用是電路出現(xiàn)短路或浪涌大電流時斷開以保護后置電路，可以選擇觸發(fā)電流約為2A的2410SFV系列的保險絲。

負溫度系數(shù)的溫敏電阻的特性是溫度較低時呈現(xiàn)較大的電阻值，隨著溫度的升高其阻值呈下降趨勢，RT1的存在使得整個驅(qū)動電源有一個“軟啟動”的過程，這對減小元器件的應力有很大作用，并且如果溫度過高使得RT1很低以至于電流增大時觸發(fā)保險絲斷開，從而避免高溫下元器件的損壞。此設(shè)計中可以選擇NTC-5D-9型號的溫敏電阻。

壓敏電阻提供給后續(xù)電路一個浪涌電壓的控制，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)動電源帶來巨大的浪涌電壓，例如雷擊產(chǎn)生的幾千甚至幾萬伏以上的浪涌電壓會對電路產(chǎn)生巨大威脅。壓敏電阻(MOV)的特性是電壓較低時流過的電流很小，呈“絕緣”狀態(tài)，而當電壓超過某臨界值后電流隨電壓的增大會急速增大。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電容是專門的圓片陶瓷電容。薄膜電容的穩(wěn)定性較好，且具有自恢復特性，陶瓷電容沒有自恢復特性，專門用于任何情況下都不允許短路失效的場合。一般來說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電容的失效不會引起人員觸電，一般容量取值相對較大。在允許范圍內(nèi)可通過更大的X電容來改善性能，但是不能使體積過于龐大。X電容的取值通常限制在0.01～0.22μF（偶爾可見到0.47μF）[4]。

Y電容的選擇：Y電容連接在相線與地線之間，為了不超過相關(guān)安全標準限定的電流泄漏值，通常取值較小。為了避免電擊發(fā)生，國際安規(guī)機構(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)備類型和安裝類別），其中0.5mA是默認的工業(yè)設(shè)計值。設(shè)漏電流為，并聯(lián)Y電容流過的總電流為，等效漏電阻電流為，等效雜散電容電流

因此，6個Y電容只能選取每個是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電極，使用時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)動電源屬于開關(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，雖然磁導率很高，但是價格較高，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，繞制時應盡量采用單層線圈，起端與末端分開越遠越好。

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)計當中，由于是大功率的驅(qū)動電源情況下，采用兩個對稱的單獨差模電感以增強濾波的效果。通常采用損耗式鐵粉芯，磁導率很低，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)計通過Pspice仿真軟件對d的取值進行掃描分析以確定合適的電感量取值。

2 EMI濾波特性測試分析

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載阻抗在50/50 Ω條件下測試。頻率30MHz以上再用電源噪聲電壓評價插入損耗與實際情況相差較大，因此世界上廣泛認可EMI規(guī)范傳導干擾最高測試頻率為30 MHz，許多國際規(guī)范下限是150 kHz，某些通信規(guī)范需要測試到10 kHz。插入損耗是衡量EMI濾波效果的主要指標，常用的計算公式如下：

本設(shè)計的仿真都是在Pspice中用交流信號源作為噪聲源，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)計假定噪聲源幅值為110 V，未接EM I濾波器的負載電壓值為55 V，而且考慮實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。綜合考慮低頻時的差模插損和高頻時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)果對比，圖5為y=1.1、1.2 nF時的共模插入損耗。由圖5可知選擇y=1.2 nF更好?？梢娫诼╇娏髟试S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一百分貝的插入損耗，滿足了設(shè)計要求。

3 結(jié)論

設(shè)計一個大功率LED驅(qū)動前級EM I濾波保護電路需要考慮到各方面的影響因素。為保護驅(qū)動不受過電流和浪涌電壓的影響，需要根據(jù)實際應用情況選取合理參數(shù)的泄放和保護元件。為了實現(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)的選擇來得到最佳的設(shè)計效果。Pspice是一個功能完善的電子設(shè)計仿真軟件，有效利用Pspice進行合理的設(shè)計可以取得事半功倍的效果。設(shè)計結(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：科學出版社，2010：186-187.

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

[4]Maniktala S.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強，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，主要研究方向為光電技術(shù)。