LED驱动电源铁氧体磁珠抑制传导干扰研究*

魏秀梅,秦会斌

(杭州电子科技大学电子信息学院,杭州 310018)



LED驱动电源铁氧体磁珠抑制传导干扰研究*

魏秀梅,秦会斌*

(杭州电子科技大学电子信息学院,杭州 310018)

摘要:为解决LED驱动电源传导电磁干扰问题,进行了铁氧体磁珠抑制传导干扰的研究,讨论了LED驱动电源传导EMI产生的原因及噪声传播路径、铁氧体磁珠的特性、铁氧体磁珠抑制LED驱动电源传导EMI的原理.通过在LED驱动电源主要噪声传播路径中串入铁氧体磁珠,可以有效抑制LED驱动电源传导电磁干扰,并在一款3线LED驱动电源上进行传导测试,实验测试结果表明铁氧体磁珠能很好的抑制LED驱动电源的传导EMI。

关键词:LED驱动电源;传导EMI;铁氧体磁珠;传导EMI抑制

LED驱动电源的认证中传导EMI(Electro-Magnetic Interference)是测试的难点,超标问题最为普遍。现有的传导EMI噪声抑制技术大致可以分成2类:一类是让噪声源产生更少的噪声;另一类是让噪声在传播路径中得到抑制,如滤波。图1是具体的传导EMI抑制技术。

现有技术比较:无源滤波技术主要缺点是体积大,且会在噪声源阻抗和负载阻抗变化时导致滤波性能下降[1],有源EMI滤波技术由于需要检测信号,注入信号,电路复杂,可靠性仍需要进一步提高[2]、变频技术输出电压与频率相关[2]、软开关技术电路结构复杂[4]等。

传导EMI产生的根本原因是电路中电流突变(di/dt)与电压突变(du/dt),它们通过导线、电感和电容耦合形成传导EMI。本文重点介绍了电源传导EMI产生的原因及骚扰传播途径、铁氧体磁珠的特性,并以此为依据,阐述了铁氧体磁珠对电源传导EMI的抑制效果。

图1　传导EMI抑制技术

1　铁氧体磁珠的特性

磁珠的主要原料为铁氧体,是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。根据电磁理论和麦克斯韦方程可知,电流周围存在电场,变化的电场会产生磁场,在磁场作用下铁氧体就会被磁化。下面通过理论计算分析磁珠的阻抗与频率特。

图2　穿过导线的铁氧体磁珠的切面图

铁氧体材料的磁导率μ表达式为复数:

μ=μ′-jμ″

(1)

式中μ′决定着磁性材料的电感大小;μ″表示铁氧体磁性材料的损耗率,决定着磁性材料的电阻大小。下图为铁氧体磁性材料μ′与μ″的磁谱曲线。

图3　μ′与μ″的磁谱曲线

磁珠产生的总的阻抗可表示为:

Zt=njωL=jXω+Rω

(2)

式中n是串联磁珠个数;ω=2πf,f是通过导线的信号频率;Rω表示磁性材料损耗特性的损耗电阻

Rω=(nfμ*μ″h)ln(Do/Di)

(3)

μ*是自由空间磁导率等于4π×10-7h/m;μ是磁性材料的磁导率;I是流过导线的电流;h是磁珠的长度;Do是磁珠的外直径;Di是磁珠的内直径;

磁性材料的电感

Xω=nfμ*h(μ′-1)ln(Do/Di)

(4)

由上述式(7)可以得出,磁珠损耗电阻Rω与磁性材料的磁损耗率μ″、通过的信号频率f以及磁珠长度h成正比。所以磁导率越高、体积越长的磁珠抑制效果越好;内径越小,抑制效果也越好,并且磁珠的横截面积越大,越不易饱和,承受的偏流越大。

磁性材料存在饱和现象,实际磁珠的干扰抑制需在一定的频率范围内,下面是铁氧体磁珠阻抗频率特性曲线如图4所示。

图4　铁氧体磁珠的典型阻抗频率特性曲线

铁氧体磁珠抑制EMI传导干扰的基本原理是:在高频部分磁珠损耗电阻Rω远大于磁珠电感量Xω,噪声信号被吸收转化成热量;在低频部分,这时Xω>Rω电路中相当于加入了一个电感,噪声信号会被发射,但是可能会引起电路谐振和震铃问题,导致干扰加强。所以实际应用时要根据噪声信号特性选用合适的磁珠。

2　LED驱动电源传导干扰产生的原因和骚扰传播路径

电源整流器和输出二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在受到反偏电压作用而转向截止时,反向恢复电流急剧减小而发生很大的di/dt,将产生较强的高频干扰,其频率可达几十兆赫兹。开关管与高频变压器初级线圈串联,开关管断开瞬间会形成关断电压尖峰,产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。同时开关管的驱动信号是窄脉冲矩形信号,也含有大量谐波成分。元器件和电路寄生参数等也会对其产生影响。

电源的传导干扰干扰可以分为共模干扰和差模干扰其中以共模干扰为主。共模干扰是指相线与中线对地的干扰,差模干扰是指相线与中线之间流过的干扰信号。图5是3线金属外壳电源传导EMI干扰路径。

图5　3线金属外壳电源传导干扰路径

图5中电容C1是接外壳的高压瓷片电容;电容Cps是变压器分布电容;电容Cds是MOSFET散热器到外壳分布电容;电容CY是初次级跨接的Y电容。差模电流Icm在相线L与中线N之间流过;共模电流Id1经过电容C1流到外壳被线性阻抗网络LISN接收;共模电流Id2流过电容Cds到外壳再流到LISN;共模电流Id3从电源初级经电容Cps、C、CY到外壳再到LISN。

3　铁氧体磁珠抑制LED驱动电源传导EMI原理

LED驱动电源在过欧盟认证时采用的传导干扰测试标准是EN55015电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法[5]。由以上分析可知,磁珠的频率特性与磁珠的尺寸和材料有关。电源的开关频率是通常可以达到数百兆赫兹,磁珠在低频段类似于一个高Q值的电感,加在开关管漏极会加大电路初级的漏感,导致干扰加强的现象,所以在开关管漏极和栅极套上的磁珠必须有很高的磁导率,低频电感小,抑制频率高。图6是电路加入磁珠后的电源噪声干扰路径。

图6　3线金属外壳电源加磁珠传导干扰路径

如图6所示,整流桥4个引脚上套上磁珠,吸收掉整流过程中二极管通断产生的干扰信号,抑制图6中的差模干扰电流Icm和所有共模干扰信号;开关管栅极输入的是PWM窄脉冲,存在高频干扰,在开关管栅极和源极引脚上套上磁珠可以吸收图6中共模噪声Id1和Id2的大量干扰信号;在电容C1两端套上磁珠可以有效抑制流到外壳的共模噪声电流Id1;在输出二极管引脚上也套上磁珠抑制图6中的共模噪声Id3中干扰;输入与输出之间跨接电容,且在Y电容引脚上套上磁珠,可以吸收图6中的共模电流Id3中的EMI干扰。

实验中选中2种型号的铁氧体磁珠:型号A是NiZn铁氧体磁珠,尺寸为h=6 mm、Do=3.5 mm、Di=1.5 mm;型号B是NiZn铁氧体磁珠,尺寸为h=3 mm、Do=3.5 mm、Di=1.5 mm。在开关管漏极和栅极套上的磁珠选用型号A磁珠。其他位置选用的磁珠是型号B。下面用一款电源过传导测试,该电源传导测试结果如下:图7是未加磁珠的3线金属外壳电源传导测试结果,图8是加磁珠的3线金属外壳电源传导测试结果。

图7　3线无磁珠电源传导测试结果

图8　3线有磁珠电源传导测试结果

由测试结果可知,加了磁珠后干扰得到很好的抑制,该电源通过传导干扰测试。

理论与实验结果均表明:在产生EMI干扰较多的元器件位置和EMI噪声传播途径中放置铁氧体磁珠可以抑制传导EMI干扰。具体设计中要根据实际EMI严重程度选择铁氧体磁珠的类型与放置位置。

4　结束语

本文分析了LED驱动电源铁氧体磁珠抑制传导EMI的原理,理论结合实验验证,得出铁氧体磁珠价格低廉,体积小,在抑制电源传导EMI干扰方面效果明显,应用在LED驱动电源上既能提高产品的电磁兼容性,也能降低生产产本,可以取得良好的经济收益。

参考文献:

[1]Choi B,Kim D,Lee D,et al.Analysis of Input Filter In-Teractions in Switching Power Converters[J].IEEE Trans Power Electron,2007,22(2):452-460.

[2]Mainali K,Oruganti R.Design of a Current-Sense Voltage-Feedback Common Mode EMI Filter for an Off-Line Power Converter[C]//Proc IEEE Power Electron Spec Conf,2008:1632-1638.

[3]Li H,Zhang B,Li Z,et al.Controlling DC-DC Converters by Chaos-Based Pulse Width Modulation to Reduce EMI[J].Chaos,Solitons Fractals,2009,42:1378-1387.

[4]Rashid M H.Power Electronics Handbook[M].New York:Academic,2007:42-43.

[5]EN55015-2009,Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics of Electrical Lighting and Similar Equipment[S].2009:23-27.

魏秀梅(1989-),女,安徽亳州人,研究生,主要从事新型电子器件与应用的研究,2351189726@qq.com;

秦会斌(1961-),男,教授,主要从事新新型电子器件及ASIC设计、现代传感器设计及应用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

SolutionofConductedEMIforLEDDrivePowerUsingFerriteMagneticBead*

WEIXiumei,QINHuibin*

(Institute of Electron Device and Application,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:To solve the problem of conducted electromagnetic interference(EMI)for LED drive power,the study on the ferrite magnetic bead restraining interference is introduced,the cause of conducted EMI,the propagation path of the EMI noise for LED drive power,the characteristics of ferrite magnetic bead,the principle of restraining theconducted EMI of ferrite magnetic bead in conducted EMI for LED drive power are discussed.The conducted EMI for LED drive power can be effectively restrained by adding the ferrite beads in the propagation path of the EMI noise for LED drive power and get a conducted test on a three-wire LED drive power.The experimental result shows that the ferrite magnetic bead can restrain the conducted EMI for LED drive power very well.

Key words:LED drive power;conducted EMI;ferrite magnetic bead;suppression of conducted EMI

doi:EEACC:4260D;312010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.004

中图分类号:TN312.8;TM135.5

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0601-04

收稿日期:2013-08-08修改日期:2013-08-25

项目来源:杭州电子科技大学研究生优秀毕业论文培育基金项目