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切換式LED驅(qū)動電路電磁干擾對策

2014-07-18 00:34徐華
電腦知識與技術(shù) 2014年13期
關(guān)鍵詞:寄生電容飛翔屏蔽

徐華

摘要:討論了EMI測量方法,分析了切換式LED驅(qū)動電路的EMI成因,給出了抑制EMI的對策。

關(guān)鍵詞: 切換式驅(qū)動電路;EMI

中圖分類號:O44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)13-3135-04

Countermeasures for Electromagnetic Interference of LED Switch Type Drive Circuit

XU Hua

(Xiamen Kerun Electronic Technology Co. Ltd,Xiamen 361006,China)

Abstract: The paper discussed measuring method of EMI, analyzed the cause of LED switch type drive circuit and offered strategies of restraining EMI.

Key words: switch type drive circuit; EMI

1 概述

電磁干擾(Electromagnetic Interference簡稱EMI)是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音,有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)(實(shí)體的電源線或信號導(dǎo)線)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò), 有機(jī)會干擾同一電源線的電氣設(shè)備;輻射干擾是指由于電場/磁場耦合效應(yīng)使干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),有可能干擾附近的電氣設(shè)備或影響人體健康。傳導(dǎo)性EMI通常發(fā)生在較低之頻段,而輻射性EMI噪聲的頻率通常較高。

此外,EMI的形成又可分為共模幅射(CommonMode)和差模幅射(DifferentialMode)兩類。共模幅射包括共地阻抗之共模干擾(Common-ModeCoupling)和電磁場對導(dǎo)線的共模干擾(Fieldtocable/traceCommon-ModeCoupling),前者是因雜訊產(chǎn)生源與受害電路間共用同一接地電阻所產(chǎn)生的共模干擾;后者則為高電磁能量所形成的電磁場對設(shè)備間之配線所造成的干擾。至于差模幅射,常見的是導(dǎo)線對導(dǎo)線的差模干擾(CabletoCableDifferential-ModeCoupling),干擾途徑為某一導(dǎo)線內(nèi)的干擾雜訊感染到其他導(dǎo)線而饋入受害電路,屬于近場干擾的一種。

LED是一種低電壓直流驅(qū)動器件,實(shí)際應(yīng)用中需要把輸入電源轉(zhuǎn)換成恒流源。就目前電子技術(shù)的發(fā)展水平,市面上以切換式轉(zhuǎn)換器為LED驅(qū)動電路的主流。

切換式轉(zhuǎn)換器主要通過功率晶體管及相關(guān)組件的導(dǎo)通與截止,調(diào)節(jié)其輸出的電壓或電流(功率),達(dá)到電能轉(zhuǎn)換的功效。然而,功率晶體管在導(dǎo)通與截止切換時(shí),往往會產(chǎn)出可觀的高頻噪聲。此高頻噪聲除了會造成能量的耗損以及干擾電路動作外,也會形成電磁干擾。因此,如何降低EMI,就成了設(shè)計(jì)切換式LED驅(qū)動電路必須面對的重大課題。

2 EMI成因

EMI主要是由電路上瞬間變化的電壓或電流信號產(chǎn)生,其大小視單位時(shí)間電壓變化率(dv/dt)或電流變化率(di/dt)而定,通常越大的dv/dt或di/dt會產(chǎn)生越大的EMI噪聲。在切換式LED驅(qū)動電路中,主要的EMI噪聲來自于功率晶體管、磁性組件、二極管等功率型開關(guān)組件。因此,如何降低各組件、各電路節(jié)點(diǎn)或回路上的dv/dt或di/dt,是EMI對策的首要之務(wù)。除此之外,還要注意電路上的電場及磁場的耦合路徑,通常dv/dt較大的電路節(jié)點(diǎn)或組件,電場耦合效應(yīng)比較明顯;di/dt較大的電路節(jié)點(diǎn)或組件,則會有較大的磁場耦合效應(yīng)。因此,必須仔細(xì)規(guī)劃PCB Layout及組件擺放位置,以期能將電場/磁場耦合效應(yīng)輻射降到最小,減少EMI噪聲的傳導(dǎo)或輻射。另一方面,實(shí)際電路上由于非理想組件、PCB Layou及系統(tǒng)架構(gòu)所產(chǎn)生之非理想性寄生組件(雜散電感及寄生電容),對EMI影響也不容小覰。所以,在EMI對策時(shí),也必須掌握非理想性寄生組件的特性,才能對癥下藥降低非理想性寄生組件的影響,進(jìn)而降低EMI噪聲??梢哉J(rèn)為EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

上述有不少EMI的設(shè)計(jì)考慮及觀念為通用法則,并不受限于切換式LED驅(qū)動電路的架構(gòu)。亦可應(yīng)用于其他不同架構(gòu)的LED驅(qū)動電路,理論上也會有相同的效果或趨勢。

3 EMI量測方法

在EMI量測方式上,可分成傳導(dǎo)型EMI量測及輻射型EMI量測。

圖1為傳統(tǒng)單相三線式的傳導(dǎo)性EMI量測系統(tǒng),圖上噪聲由電源傳輸阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)取出以后,再以EMI噪聲測試接受儀(Test Receiver)或頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)進(jìn)行量測。在這個(gè)系統(tǒng)中,共模噪聲電流CM是由同時(shí)流過兩條電力線Line(L)、Neutral(N),會合流至接地線(Ground)之噪聲電流分量所組成;差模噪聲電流DM則是流經(jīng)L和N兩線之間而不流經(jīng)過接地線之噪聲電流分量。

圖1 單相三線式傳導(dǎo)性EMI量測系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)單相三線式的電力系統(tǒng),在通用照明的應(yīng)用中(例如LED球泡燈、LED T8燈管、LED嵌燈等),大多為單相二線式的電力系統(tǒng)。因此,其傳導(dǎo)性EMI量測系統(tǒng)修正如圖2所示

圖2 單相二線式傳導(dǎo)性EMI量測系統(tǒng)

比較圖1及圖2,兩種量測系統(tǒng)最大的差異在于待測物是否直接連接到接地線。因此,兩系統(tǒng)的差模噪聲分量相當(dāng),但共模噪聲分量將明顯不同,即所量測到的傳導(dǎo)型EMI噪聲不會相同。此外,在傳統(tǒng)單相三線式的系統(tǒng)中,由于待測物直接連接到地,可同時(shí)使用接地Y電容及共模電感(Common Mode Choke)抑制共模噪聲;而在單相二線式系統(tǒng)中,因?yàn)榇郎y物沒有直接連接到接地線,所以僅能使用共模電感抑制共模噪聲。

圖3 輻射性(Radiated)EMI量測系統(tǒng)

圖3是輻射性(Radiated)EMI的量測系統(tǒng)架構(gòu)的簡單示意圖。參考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等標(biāo)準(zhǔn)之輻射EMI測試隔離室,依不同頻率范圍可將輻射EMI測試隔離室分為磁場屏蔽(低阻抗場),電場屏蔽(高阻抗場),平面波電磁場屏蔽和微波屏蔽等不同的屏蔽效益(SE)。其測量儀器基本配備為:EMI噪聲測試接收儀或頻譜分析儀、接收天線(棒狀天線、環(huán)路天線、對數(shù)螺旋天線、喇叭天線等)、置放待測物的木桌、旋轉(zhuǎn)裝置及電源供應(yīng)器。另由于各測試儀器也會產(chǎn)生一定程度的EMI噪聲,為了保證測試的準(zhǔn)確性,CISPR16要求測試儀器的干擾量至少需比待測物的EMI噪聲小20Db,且比所依測試法規(guī)限制小40dB.各測試儀器屏蔽效益至少要有60dB,測試儀器接入測試系統(tǒng)后,既不可改變待測物的工作狀態(tài),也不可對待測物有分壓分流效應(yīng),測試儀器本身的干擾耐受性也應(yīng)遠(yuǎn)低于可能受到的干擾量。此外,也要求測試儀器的精確度必須符合:電壓測試時(shí)誤差不超過正負(fù)2 dB,場強(qiáng)測試時(shí)誤差不超過正負(fù)3 dB。

4 降低EMI對策

依LED驅(qū)動電路的輸入電源特性及架構(gòu),可將其再細(xì)分為交流轉(zhuǎn)直流(AC-to-DC)與直流轉(zhuǎn)直流(DC-to-DC)以及隔離式與非隔離式。其中,尤以非隔離降壓式轉(zhuǎn)換器以及隔離返馳式轉(zhuǎn)換器為最常見的切換式LED驅(qū)動電路。

圖4及圖5分別為非隔離降壓式LED驅(qū)動電路之電路架構(gòu)簡化示意圖(將驅(qū)動IC以一脈沖信號源取代),以及工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下各點(diǎn)理論波形;圖6標(biāo)示可能存在于電路上的寄生組件及dv/dt或di/dt較大的節(jié)點(diǎn)或回路。以下,將通過圖4到圖6來闡述降低EMI對策。

圖4 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路示意

圖5 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路理論波形圖

圖6 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路的dv/dt或di/dt及寄生組件示意

由圖4及圖5可看出,非隔離降壓式LED驅(qū)動電路中各主要組件的動作及波形,并可再由上述觀念推估出圖6。圖6中標(biāo)示各電路中各dv/dt或di/dt 較大的節(jié)點(diǎn)或回路。其中,綠色的組件代表各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,也是主要的電場耦合路徑;而橙色的組件代表各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),亦為磁場耦合的主要路徑。由圖6可知,減少各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,或是降低各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),都有助于抑制電場、磁場耦合效應(yīng),進(jìn)而降低電路向外傳導(dǎo)或輻射的EMI噪聲。由于dv/dt及di/dt分別為單位時(shí)間電壓變化率或電流變化率,在相同的電壓/電流 (dv or di)之下,越高的信號頻率則dt 越小,即dv/dt及 di/dt越大。因此,在設(shè)計(jì)EMI對策及PCB Layout時(shí),除了著眼于電壓/電流較大的節(jié)點(diǎn)或回路,也要特別注意較為高頻的信號。一般切換式LED驅(qū)動電路中,較高頻的信號為開關(guān)組件的驅(qū)動訊號、開關(guān)組件兩端電壓信號、飛輪二極管反向恢復(fù)時(shí)間(trr)、電感、變壓器兩端電壓信號以及寄生組件所產(chǎn)生的諧振信號等等,在設(shè)計(jì)時(shí)都必須特別注意。因此,在PCB Layout、組件擺放規(guī)則及選擇組件時(shí),盡可能滿足以下設(shè)計(jì)考慮:

1) 由于dv/dt會引發(fā)電場輻射到空中,等同于發(fā)射輻射電流流過空中的寄生電容,再流回到大地。可采取的對策除了縮小訊號本身的dv/dt外,還可以從降低寄生電容來著手。根據(jù)電子學(xué)及物理學(xué)的定義,電容的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,可以想辦法降低dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)面積,或增加dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)對地的距離來縮小寄生電容、降低EMI噪聲。

2) 由于dv/dt會引發(fā)磁場輻射效應(yīng),而形成輻射電流,通過大氣到大地??刹扇〉膶Σ叱丝s小訊號本身的di/dt外,亦可從縮小雜散電感來著手。根據(jù)安培定律、法拉第定律及楞次定律,雜散電感(互感)的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的感應(yīng)面積成正比,兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,亦可以想辦法縮小di/dt較大的節(jié)點(diǎn)的回路面積,或增加di/dt較大回路或走線的間距來縮小雜散電感(互感)、降低EMI噪聲。

3) 由于傳導(dǎo)型EMI的測試法規(guī)一般在150Khz的頻率點(diǎn)開始限縮(包含F(xiàn)CC及CE),因此設(shè)計(jì)開關(guān)組件的驅(qū)動信號頻率盡量不要超過150Khz,以確保將dv/dt或di/dt最大的驅(qū)動信號基頻排除在傳導(dǎo)型EMI測試法規(guī)的限縮點(diǎn)之外。

4) 選擇漏磁較小的電感、變壓器鐵心(EE,EFD,RM或PQ等)。并僅于中柱的部分研磨氣隙,以減少漏磁。亦可在電感、變壓器繞制完成后,于鐵芯接縫處以銅箔包覆,以達(dá)屏蔽的效果。

5) 繞制電感或變壓器時(shí),將di/dt屏蔽在鐵心最內(nèi)側(cè),達(dá)到屏蔽的效果。

6) 在不嚴(yán)重影響電路效率的前提下,可加入一些緩振的電路組件,例如:Snubber電路,旁路電容、磁珠或磁環(huán)等;或縮小開關(guān)組件的驅(qū)動電壓/電流,以降低dv/dt或di/dt。

7) 在PCB Layout時(shí),考慮dv/dt相對小的參考平面或走線包覆其他dv/dt或di/dt較大的平面或走線,有助于將EMI噪聲屏蔽于系統(tǒng)內(nèi),減少EMI噪聲向外輻射。

8) 縮短連接至電源端及負(fù)載LED端的連接線,以減少線材產(chǎn)生的寄生電容及雜散電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

9) PCB Layout時(shí),減少兩平面或走線平行,以及縮小上下層板走線或平面的重疊面積,也可有效減小寄生電容及電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

5 結(jié)束語

除了在設(shè)計(jì)電路及PCB Layout時(shí),依循上述各點(diǎn)可有效降低EMI噪聲外,慎選切換式LED驅(qū)動電路的控制IC對于EMI噪聲抑制也有相當(dāng)?shù)膸椭?。近年來,已推出?zhǔn)諧振波谷切換(Quasi-Resonant Valley Switching)技術(shù),可同時(shí)提升電路效率并降低EMI噪聲,在此不再贅述。

圖3 輻射性(Radiated)EMI量測系統(tǒng)

圖3是輻射性(Radiated)EMI的量測系統(tǒng)架構(gòu)的簡單示意圖。參考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等標(biāo)準(zhǔn)之輻射EMI測試隔離室,依不同頻率范圍可將輻射EMI測試隔離室分為磁場屏蔽(低阻抗場),電場屏蔽(高阻抗場),平面波電磁場屏蔽和微波屏蔽等不同的屏蔽效益(SE)。其測量儀器基本配備為:EMI噪聲測試接收儀或頻譜分析儀、接收天線(棒狀天線、環(huán)路天線、對數(shù)螺旋天線、喇叭天線等)、置放待測物的木桌、旋轉(zhuǎn)裝置及電源供應(yīng)器。另由于各測試儀器也會產(chǎn)生一定程度的EMI噪聲,為了保證測試的準(zhǔn)確性,CISPR16要求測試儀器的干擾量至少需比待測物的EMI噪聲小20Db,且比所依測試法規(guī)限制小40dB.各測試儀器屏蔽效益至少要有60dB,測試儀器接入測試系統(tǒng)后,既不可改變待測物的工作狀態(tài),也不可對待測物有分壓分流效應(yīng),測試儀器本身的干擾耐受性也應(yīng)遠(yuǎn)低于可能受到的干擾量。此外,也要求測試儀器的精確度必須符合:電壓測試時(shí)誤差不超過正負(fù)2 dB,場強(qiáng)測試時(shí)誤差不超過正負(fù)3 dB。

4 降低EMI對策

依LED驅(qū)動電路的輸入電源特性及架構(gòu),可將其再細(xì)分為交流轉(zhuǎn)直流(AC-to-DC)與直流轉(zhuǎn)直流(DC-to-DC)以及隔離式與非隔離式。其中,尤以非隔離降壓式轉(zhuǎn)換器以及隔離返馳式轉(zhuǎn)換器為最常見的切換式LED驅(qū)動電路。

圖4及圖5分別為非隔離降壓式LED驅(qū)動電路之電路架構(gòu)簡化示意圖(將驅(qū)動IC以一脈沖信號源取代),以及工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下各點(diǎn)理論波形;圖6標(biāo)示可能存在于電路上的寄生組件及dv/dt或di/dt較大的節(jié)點(diǎn)或回路。以下,將通過圖4到圖6來闡述降低EMI對策。

圖4 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路示意

圖5 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路理論波形圖

圖6 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路的dv/dt或di/dt及寄生組件示意

由圖4及圖5可看出,非隔離降壓式LED驅(qū)動電路中各主要組件的動作及波形,并可再由上述觀念推估出圖6。圖6中標(biāo)示各電路中各dv/dt或di/dt 較大的節(jié)點(diǎn)或回路。其中,綠色的組件代表各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,也是主要的電場耦合路徑;而橙色的組件代表各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),亦為磁場耦合的主要路徑。由圖6可知,減少各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,或是降低各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),都有助于抑制電場、磁場耦合效應(yīng),進(jìn)而降低電路向外傳導(dǎo)或輻射的EMI噪聲。由于dv/dt及di/dt分別為單位時(shí)間電壓變化率或電流變化率,在相同的電壓/電流 (dv or di)之下,越高的信號頻率則dt 越小,即dv/dt及 di/dt越大。因此,在設(shè)計(jì)EMI對策及PCB Layout時(shí),除了著眼于電壓/電流較大的節(jié)點(diǎn)或回路,也要特別注意較為高頻的信號。一般切換式LED驅(qū)動電路中,較高頻的信號為開關(guān)組件的驅(qū)動訊號、開關(guān)組件兩端電壓信號、飛輪二極管反向恢復(fù)時(shí)間(trr)、電感、變壓器兩端電壓信號以及寄生組件所產(chǎn)生的諧振信號等等,在設(shè)計(jì)時(shí)都必須特別注意。因此,在PCB Layout、組件擺放規(guī)則及選擇組件時(shí),盡可能滿足以下設(shè)計(jì)考慮:

1) 由于dv/dt會引發(fā)電場輻射到空中,等同于發(fā)射輻射電流流過空中的寄生電容,再流回到大地。可采取的對策除了縮小訊號本身的dv/dt外,還可以從降低寄生電容來著手。根據(jù)電子學(xué)及物理學(xué)的定義,電容的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,可以想辦法降低dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)面積,或增加dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)對地的距離來縮小寄生電容、降低EMI噪聲。

2) 由于dv/dt會引發(fā)磁場輻射效應(yīng),而形成輻射電流,通過大氣到大地??刹扇〉膶Σ叱丝s小訊號本身的di/dt外,亦可從縮小雜散電感來著手。根據(jù)安培定律、法拉第定律及楞次定律,雜散電感(互感)的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的感應(yīng)面積成正比,兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,亦可以想辦法縮小di/dt較大的節(jié)點(diǎn)的回路面積,或增加di/dt較大回路或走線的間距來縮小雜散電感(互感)、降低EMI噪聲。

3) 由于傳導(dǎo)型EMI的測試法規(guī)一般在150Khz的頻率點(diǎn)開始限縮(包含F(xiàn)CC及CE),因此設(shè)計(jì)開關(guān)組件的驅(qū)動信號頻率盡量不要超過150Khz,以確保將dv/dt或di/dt最大的驅(qū)動信號基頻排除在傳導(dǎo)型EMI測試法規(guī)的限縮點(diǎn)之外。

4) 選擇漏磁較小的電感、變壓器鐵心(EE,EFD,RM或PQ等)。并僅于中柱的部分研磨氣隙,以減少漏磁。亦可在電感、變壓器繞制完成后,于鐵芯接縫處以銅箔包覆,以達(dá)屏蔽的效果。

5) 繞制電感或變壓器時(shí),將di/dt屏蔽在鐵心最內(nèi)側(cè),達(dá)到屏蔽的效果。

6) 在不嚴(yán)重影響電路效率的前提下,可加入一些緩振的電路組件,例如:Snubber電路,旁路電容、磁珠或磁環(huán)等;或縮小開關(guān)組件的驅(qū)動電壓/電流,以降低dv/dt或di/dt。

7) 在PCB Layout時(shí),考慮dv/dt相對小的參考平面或走線包覆其他dv/dt或di/dt較大的平面或走線,有助于將EMI噪聲屏蔽于系統(tǒng)內(nèi),減少EMI噪聲向外輻射。

8) 縮短連接至電源端及負(fù)載LED端的連接線,以減少線材產(chǎn)生的寄生電容及雜散電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

9) PCB Layout時(shí),減少兩平面或走線平行,以及縮小上下層板走線或平面的重疊面積,也可有效減小寄生電容及電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

5 結(jié)束語

除了在設(shè)計(jì)電路及PCB Layout時(shí),依循上述各點(diǎn)可有效降低EMI噪聲外,慎選切換式LED驅(qū)動電路的控制IC對于EMI噪聲抑制也有相當(dāng)?shù)膸椭?。近年來,已推出?zhǔn)諧振波谷切換(Quasi-Resonant Valley Switching)技術(shù),可同時(shí)提升電路效率并降低EMI噪聲,在此不再贅述。

圖3 輻射性(Radiated)EMI量測系統(tǒng)

圖3是輻射性(Radiated)EMI的量測系統(tǒng)架構(gòu)的簡單示意圖。參考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等標(biāo)準(zhǔn)之輻射EMI測試隔離室,依不同頻率范圍可將輻射EMI測試隔離室分為磁場屏蔽(低阻抗場),電場屏蔽(高阻抗場),平面波電磁場屏蔽和微波屏蔽等不同的屏蔽效益(SE)。其測量儀器基本配備為:EMI噪聲測試接收儀或頻譜分析儀、接收天線(棒狀天線、環(huán)路天線、對數(shù)螺旋天線、喇叭天線等)、置放待測物的木桌、旋轉(zhuǎn)裝置及電源供應(yīng)器。另由于各測試儀器也會產(chǎn)生一定程度的EMI噪聲,為了保證測試的準(zhǔn)確性,CISPR16要求測試儀器的干擾量至少需比待測物的EMI噪聲小20Db,且比所依測試法規(guī)限制小40dB.各測試儀器屏蔽效益至少要有60dB,測試儀器接入測試系統(tǒng)后,既不可改變待測物的工作狀態(tài),也不可對待測物有分壓分流效應(yīng),測試儀器本身的干擾耐受性也應(yīng)遠(yuǎn)低于可能受到的干擾量。此外,也要求測試儀器的精確度必須符合:電壓測試時(shí)誤差不超過正負(fù)2 dB,場強(qiáng)測試時(shí)誤差不超過正負(fù)3 dB。

4 降低EMI對策

依LED驅(qū)動電路的輸入電源特性及架構(gòu),可將其再細(xì)分為交流轉(zhuǎn)直流(AC-to-DC)與直流轉(zhuǎn)直流(DC-to-DC)以及隔離式與非隔離式。其中,尤以非隔離降壓式轉(zhuǎn)換器以及隔離返馳式轉(zhuǎn)換器為最常見的切換式LED驅(qū)動電路。

圖4及圖5分別為非隔離降壓式LED驅(qū)動電路之電路架構(gòu)簡化示意圖(將驅(qū)動IC以一脈沖信號源取代),以及工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下各點(diǎn)理論波形;圖6標(biāo)示可能存在于電路上的寄生組件及dv/dt或di/dt較大的節(jié)點(diǎn)或回路。以下,將通過圖4到圖6來闡述降低EMI對策。

圖4 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路示意

圖5 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路理論波形圖

圖6 非隔離降壓式LED驅(qū)動電路的dv/dt或di/dt及寄生組件示意

由圖4及圖5可看出,非隔離降壓式LED驅(qū)動電路中各主要組件的動作及波形,并可再由上述觀念推估出圖6。圖6中標(biāo)示各電路中各dv/dt或di/dt 較大的節(jié)點(diǎn)或回路。其中,綠色的組件代表各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,也是主要的電場耦合路徑;而橙色的組件代表各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),亦為磁場耦合的主要路徑。由圖6可知,減少各節(jié)點(diǎn)對地的寄生電容及阻抗,或是降低各連接線或回路相對其他連接線、回路或空氣的雜散電感(互感),都有助于抑制電場、磁場耦合效應(yīng),進(jìn)而降低電路向外傳導(dǎo)或輻射的EMI噪聲。由于dv/dt及di/dt分別為單位時(shí)間電壓變化率或電流變化率,在相同的電壓/電流 (dv or di)之下,越高的信號頻率則dt 越小,即dv/dt及 di/dt越大。因此,在設(shè)計(jì)EMI對策及PCB Layout時(shí),除了著眼于電壓/電流較大的節(jié)點(diǎn)或回路,也要特別注意較為高頻的信號。一般切換式LED驅(qū)動電路中,較高頻的信號為開關(guān)組件的驅(qū)動訊號、開關(guān)組件兩端電壓信號、飛輪二極管反向恢復(fù)時(shí)間(trr)、電感、變壓器兩端電壓信號以及寄生組件所產(chǎn)生的諧振信號等等,在設(shè)計(jì)時(shí)都必須特別注意。因此,在PCB Layout、組件擺放規(guī)則及選擇組件時(shí),盡可能滿足以下設(shè)計(jì)考慮:

1) 由于dv/dt會引發(fā)電場輻射到空中,等同于發(fā)射輻射電流流過空中的寄生電容,再流回到大地??刹扇〉膶Σ叱丝s小訊號本身的dv/dt外,還可以從降低寄生電容來著手。根據(jù)電子學(xué)及物理學(xué)的定義,電容的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,可以想辦法降低dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)面積,或增加dv/dt較大的節(jié)點(diǎn)對地的距離來縮小寄生電容、降低EMI噪聲。

2) 由于dv/dt會引發(fā)磁場輻射效應(yīng),而形成輻射電流,通過大氣到大地??刹扇〉膶Σ叱丝s小訊號本身的di/dt外,亦可從縮小雜散電感來著手。根據(jù)安培定律、法拉第定律及楞次定律,雜散電感(互感)的大小與兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的感應(yīng)面積成正比,兩導(dǎo)體或?qū)Ь€間的距離成反比。因此,亦可以想辦法縮小di/dt較大的節(jié)點(diǎn)的回路面積,或增加di/dt較大回路或走線的間距來縮小雜散電感(互感)、降低EMI噪聲。

3) 由于傳導(dǎo)型EMI的測試法規(guī)一般在150Khz的頻率點(diǎn)開始限縮(包含F(xiàn)CC及CE),因此設(shè)計(jì)開關(guān)組件的驅(qū)動信號頻率盡量不要超過150Khz,以確保將dv/dt或di/dt最大的驅(qū)動信號基頻排除在傳導(dǎo)型EMI測試法規(guī)的限縮點(diǎn)之外。

4) 選擇漏磁較小的電感、變壓器鐵心(EE,EFD,RM或PQ等)。并僅于中柱的部分研磨氣隙,以減少漏磁。亦可在電感、變壓器繞制完成后,于鐵芯接縫處以銅箔包覆,以達(dá)屏蔽的效果。

5) 繞制電感或變壓器時(shí),將di/dt屏蔽在鐵心最內(nèi)側(cè),達(dá)到屏蔽的效果。

6) 在不嚴(yán)重影響電路效率的前提下,可加入一些緩振的電路組件,例如:Snubber電路,旁路電容、磁珠或磁環(huán)等;或縮小開關(guān)組件的驅(qū)動電壓/電流,以降低dv/dt或di/dt。

7) 在PCB Layout時(shí),考慮dv/dt相對小的參考平面或走線包覆其他dv/dt或di/dt較大的平面或走線,有助于將EMI噪聲屏蔽于系統(tǒng)內(nèi),減少EMI噪聲向外輻射。

8) 縮短連接至電源端及負(fù)載LED端的連接線,以減少線材產(chǎn)生的寄生電容及雜散電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

9) PCB Layout時(shí),減少兩平面或走線平行,以及縮小上下層板走線或平面的重疊面積,也可有效減小寄生電容及電感,進(jìn)而降低電場/磁場耦合效應(yīng)。

5 結(jié)束語

除了在設(shè)計(jì)電路及PCB Layout時(shí),依循上述各點(diǎn)可有效降低EMI噪聲外,慎選切換式LED驅(qū)動電路的控制IC對于EMI噪聲抑制也有相當(dāng)?shù)膸椭?。近年來,已推出?zhǔn)諧振波谷切換(Quasi-Resonant Valley Switching)技術(shù),可同時(shí)提升電路效率并降低EMI噪聲,在此不再贅述。

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