薛 旦,许 璞,黄 情
(1.上海瀚唯科技有限公司,上海 杨浦 200438;2.上海无线电设备研究所,上海 杨浦 200090)
随着我国“十城万盏”计划、淘汰白炽灯计划的实行,高亮度白光LED(high-brightnesswhite LED,HBWLED)以其节能、环保、寿命长三大优势,正逐步取代传统节能灯管,在商场、办公楼、道路等场所得到广泛应用。目前白光LED的效率已突破150 LM/W,LED灯具的节能得到了世界各国的普遍重视。在我国,照明已占到用电总量的10%以上,因此推广LED的应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1]。
LED技术经过数十年的发展已不断成熟,其光效、寿命及可靠性得到了长足进步。而在LED灯具中,驱动电源已成为LED应用的关键技术。目前绝大多数LED驱动电源采用了PWM开关型直流变换结构,可实现小型化、高效率的恒流工作方式以满足LED工作需要。然而PWM开关型直流变换结构由于存在高频开关与振荡电路,不可避免地将产生大量谐波以及电磁干扰[2],这对于LED照明在医院、地铁等公共场所以及电磁兼容敏感区域的应用带来了极大限制。
因此本文针对地铁等场所的电磁兼容要求,分析了基于单级反激式LEDPWM开关型驱动电源结构[3],提出了高效的电磁兼容解决方案。本方案有以下优点:
(1)结构紧凑,满足灯具小型化;
(2)谐波失真低,满足低谐波要求;
(3)具有成本优势。
图1为采用SY5800A的PWM开关型直流变换器原理图,可以看出该结构的控制芯片采用10脚封装,是一款采用前级反馈、带有功率因数校正(PFC)功能的LED照明自适应芯片。芯片允许最高可达到400 V的直流输入,且反馈变换器工作在准谐振状态,具有较高的系统效率。
图1 基于SY5800A的LED驱动电源
该电路主要参数与特点有:
(1)驱动电流高达1A,并在低电压下开通MOSFET,减少了开关损耗;
(2)具有逐周期保护功能,在每个周期内进行检测以实现峰值电流控制;
(3)输入电压范围为AC85~264 V,输出为38 V/400mA。
SY5800A同样采用了反激式PWM开关结构,因此根据开关电源高频变压器的基本理论[4],电路主要设计如下:
图2中的输入滤波器包括差模滤波器和共模滤波器,分别用于抑制差模与共模干扰,一般采用组合形式来提高滤波效果。
其中共模滤波器参数设计如下:
图2 加入输入滤波器后的EMI对比测试图
采用上述滤波器后电路EMI测试对比如下:
图中深色为插入Filter前的EMI噪声曲线,浅色为插入Filter后的噪声曲线。可以看到采用差、共模滤波器能极大减少电磁辐射,是有效的电磁兼容手段。
PWM电路采用高速驱动MOS管进行开关来实现输出变换,MOS管上的电压波形如图3所示。
图3 MOS管开关电压波形
如图3所示,MOSFET动作时产生的噪声,主要来自三个方面:
(1)Mosfet开通、关断时,具有很宽的频谱含量,开关频率的谐波本身就是较强的干扰源。
(2)关断时的振荡1产生较强的干扰。
(3)关断时的振荡2产生较强的干扰。
对于振荡1,在开关管Q1关断,副边二极管D1导通时(带载),原边的励磁电感被钳制,原边漏感Lep的能量通过Q1的寄生电容Cds进行放电,主放电回路为Lep—Cds—Rs—C1—Lep,此时产生振荡振荡的频率为:
振荡2发生在MosfetQ1关断,副边二极管由通转向关断,原边励磁电感被释放(这时Cds被充至2Vc1),Cds和原边线圈的杂散电容Clp为并联状态,再和原边电感Lp(励磁电感和漏感之和)发生振荡。放电回路同振荡1。振荡频率为:
因此,可以从以下2方面进行电磁兼容的改进:
1)选开关速度较平缓的MOSFET,或通过增大驱动电阻降低开关速度。
图4 加大驱动电阻后的EMI对比图
途中深色曲线为47欧姆的驱动电阻时的电路EMI特性,浅色曲线为62欧姆的驱动电阻时的电路EMI特性。可以看出,增大驱动电阻的措施在低频段效果不明显,而在高频段(>8MHz),62欧姆的驱动电阻明显好于47欧姆的驱动电阻,有一定的效果。
2)通过变压器采用三明治绕法、在变压器的绕组上加吸收电路、减小Q1D极到变压器的引线长度等方法减小变压器漏感。
图5 减小变压器漏感后的EMI对比图
图5 中深色为减小变压器漏感前的EMI特性曲线,浅色为减小变压器漏感后的EMI特性曲线。可以看出在低频段的EMI特性随着漏感的减小有明显改善。
PWM电路的电磁干扰传播途径主要是通过变压器的杂散电容Ctx、Mosfet/Diode到散热片的杂散电容Cm/Cd、及散热片到地的杂散电容Ce等途径而耦合到LISN被取样电阻所俘获。
因此针对噪声耦合回路,可采取以下措施降低电路EMI:
(1) 原、副边地之间增加Y电容。
通过原副边之间的Y电容,形成噪声回路,一是为Mosfet动作产生且串到变压器副边的噪声电流,提供一个低阻抗的回路,减小到地的电流。二是为二次侧Diode产生的且串到变压器原边的noise电流提供低阻抗回路,从而减小流过LISN的电流。
图6 增加Y电容后的EMI对比图
从图6中可以看到增加Y电容后EMI特性得到明显改善,在低频段(<10MHz)尤为明显。
(2)变压器加法拉第铜环
变压器是噪声传播的主要通道之一,其中初级线圈和次级线圈间杂散电容Ctx是重要因素。而在变压器内部加法拉第铜环可以有效减小Ctx,从而抑制干扰。
图7 增加法拉第铜环后的EMI对比图
从图7中可以看到,增加法拉第铜环后几乎各频段的EMI特性都得到改善。
通过以上措施改进后的LED驱动电源实物如图8所示。
该电源的电磁兼容实测结果如图9所示。
图9 基于SY5800A驱动电源EMI测试图
基于PWM模式的LED照明驱动的特点,以基于SY5800的驱动电路为参照,分析了电磁干扰及其传输路径,通过电路改进实现了良好的电磁兼容性能,测试证明改进措施可靠有效,并可广泛应用于各种LED驱动产品中。
[1]窦林平.国内LED照明应用探讨[J].照明工程学报,2011,22(06):51-58.
[2]钟远生.LED照明产品电磁兼容测试项目要求[J].电气技术,2012,35(05):92-93.
[3]朱明杰.开关电源的电磁兼容设计[J].电气开关,2009,8(06):20-22.
[4]陈 洋,段哲民,郭 龙.反激式变换器拓扑的LED电源设计 [J].电子设计工程,2014,28(02):95-97.