60 W RGB LED电源的EMI滤波器设计与仿真*

张明准，秦会斌，胡艳蕊

（杭州电子科技大学，杭州310018）

60 W RGB LED电源的EMI滤波器设计与仿真*

张明准*，秦会斌，胡艳蕊

（杭州电子科技大学，杭州310018）

介绍了一款60 W红，绿，蓝发光二极管（Red，Green and Blue Light-Emitting Diode，RGB LED）驱动电源电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference）产生的机理及危害，设计了一种结构简单的低成本抗传导EMI滤波电路。通过PSpice软件建模，对所设计的滤波电路进行仿真实验。所设计的EMI滤波电路使用在RGB LED电源样机上，对样机进行了传导EMI测试，测试结果验证了所设计的EMI滤波电路具有25 dB的裕量。

电磁干扰；滤波器；PSpice仿真；LED驱动

发光二极管LED（Light Emitting Diode）作为照明光源，因为其光效的提升，长使用寿命以及不含有害重金属汞等优点而得到越来越广泛的应用，如广告招牌灯，路灯，汽车尾灯，室内照明灯。大功率照明LED的使用，需要低成本，高可靠性的LED驱动电源。当驱动电源的功率高于25 W时，EMC标准强制要求驱动电源必须满足标准的相关条款对电磁兼容的要求，电磁兼容中的传导电磁干扰（EMI）就是其中一项。文献［1］中EMI解决方案是用到2颗共模电感和电容构成，这样的结构很容易实现所需要达到的设计目标，但对LED驱动电源来说，低成本和小体积是共同的目标，两颗磁性元件不利于成本的降低和体积的减小。文献［2-3］所提出的解决EMI问题的方案是频率抖动技术或是适用于小功率的特殊电路结构，这些技术的使用都很好的解决了电磁干扰的问题，但因为大功率LED驱动电源的电路更加复杂，使用的半导体开关器件更多，EMI的问题更加严重，这些技术不适于推广到更为广泛的大功率的LED驱动电源中［4］。基于以上的考虑，所设计的60 W RGB LED驱动电源中，EMI滤波器的采取了共模（Common Mode）电感和差模 DM（Differential Mode）电感结合的方案，利用一个共模抑制电感器的漏感组成差模抑制电感器，这种结构节省了磁性元件的个数，又能满足设计要求，具有高性价比并易于推广。本文主要阐述此EMI滤波器的设计过程，建模仿真及对原型机的传导EMI进行测试与分析［5］。

1　原理与设计

1.1LED驱动电源传导EMI产生机理

所设计的RGB LED驱动电源的功能框图如图1所示。其中功率因素校正（PFC）电路的功率晶体管，谐振半桥电路的功率晶体管和谐振半桥输出的整流二极管是开关电源型LED驱动电源的电磁干扰源。图2是PFC电路的简图，漏极电压波形和电感电流波形。

图160　W RGB LED驱动电源框图

图2PFC电路和波形

图2所示的电感电流波形斜率就是电流变化率di/dt，电流的变化会产生变化的磁场，向外辐射，电流变化率越大，磁场越强，电磁辐射干扰越严重。二极管D1和场效应晶体管Q1，交替导通工作，因为二极管的反向特性，导致电压VDS发生极大的变化，即dv/ dt极大，这个电压的变化会产生强的电场，通过导体或附近零件耦合出去，也产生强电磁干扰。谐振半桥和输出整流电路的情况也类似，谐振半桥电路的场效应开关晶体管和输出半导体整流二极管工作过程中因快速的开通和快速的关断导致极大的电流变化率和电压变化率，这就是电磁干扰的干扰［6］。

1.2EMI滤波电路设计

1.2.1共模滤波器设计

表1是60 W RGB LED驱动电源的设计参数。因为红，绿，蓝发光二极管的光通量和驱动电流之间的关系有区别，因此3路输出电流设定值不同［7］。

表160　W LED驱动电源的参数

图3是没有EMI滤波电路的LED驱动电源测试EN55015标准的EMI传导测试结果，从测试结果看，考虑10 dB的设计裕量，EMI滤波器在200 kHz处需要衰减22 dB才能满足设计要求。

图3　不加EMI滤波器时的EMI测试结果

根据表1，可以计算出电源的输入阻抗为：

LED驱动电源中的PFC工作频率为70 kHz，谐振半桥的工作频率为35 kHz，EMI低通滤波器的转折频率需要大于10倍交流电源频率。根据对以上的测试结果分析，即在200 kHz时需要衰减22 dB。图4是所设计的二阶共模滤波器的等效电路［8］。

图4　二阶共模滤波器等效电路图

此滤波器的传递函数为：

其中，ω是角频率；RL是共模噪声负载电阻。

ζ系数的大小反应二阶滤波器时域响应在转折频率处的增益大小不同，图5显示了他们之间的关系。因为二阶滤波器在转折频率后每倍频程衰减12 dB。因此在200 kHz处需要衰减22 dB的设计目标要求滤波器的转折频率由方程（3）可计算出为fcutoff=56.1 kHz。

RL通常选50Ω，为了在转折频率处不产生振荡，选择最小阻尼系数ζ为0.707。根据上面这些参数可以计算元件的值如下：

因为EMC标准规定的满足漏电流要求的最大Y电容值为0.05 uF，为安全考虑，此设计中的Y电容选择6.8 nF，因此需要选定最小值1.2 mH的电感值来设计滤波器。计算滤波器的实际转折频率为55.7 kHz，接近并小于56.1 kHz。实际阻尼系数为ζ=4.2，实际阻尼系数大于等于1都是可以接受的［9］。

图5　不同阻尼系数的二阶频率响应

1.2.2差模滤波器设计

所设计的差模滤波器是П型差模滤波器［10，11］，其等效电路如图6所示。

图6　三阶差模滤波器等效电路图

上一节已经计算得到电源输入阻抗 Rin为121.1Ω。因为三阶滤波器在转折频率后每倍频程衰减18 dB，因此在200 kHz处需要衰减22 dB的设计目标要求滤波器的转折频率fcutoffdm由方程（4）计算得到为85.72 kHz。

根据方程（5）计算电感值为0.226 mH：

根据方程（6）计算电容值为0.015 3 μF。

根据方程（5）、方程（6）的计算结果，选择差模电感值为300 μH，电容值为0.2 μF是合理的。

1.2.3EMI滤波器整体结构

结合前面两节的设计结果，得到完整的EMI滤波电路图如图7所示。

图7　完整的EMI滤波器电路图

其中，L1a和L1b是共模电感的两个绕组，感值均为最小1.2 mH，L1a′和L1b′是共模电感的漏感，最小感值为150 μH。共模电感选择铁氧体EE20磁芯，双线槽骨架。Y电容CY1和CY2均为6.8 nF，X电容CX1和CX2均为0.1 μF。此电路的特别之处就在于利用共模电感的漏感提供差模滤波器需要的差模感量，减少了磁性材料的使用，降低了成本并简化了滤波器的结构。

2　仿真与实验

2.1仿真

Cadence OrCAD的PSpice是电力电子领域用于仿真的软件，其强大的功能体现在它丰富的模型库和多样的建模方式上。对于EMI滤波器电路来说，用PSpice建模的重点是共模电感和差模电感的模型方面，由于高频干扰信号会受寄生参数的影响，模型需要将存在的寄生参数考虑进去［12］。差模电感使用线性电感模型；共模电感使用两个线性电感模型并用线性磁芯模型来耦合，仿真原理图如图8所示。图8中第1个虚线框内是50 μH/50 Ω电源线阻抗稳定网络 LISN（Line Impedance Stabilizer Network），其在传导电磁干扰EMI测试中具有如下作用：（1）使电网能提供一个50 Ω稳定阻抗，即待测设备端子与地之间具有一个稳定的阻抗；（2）LISN使待测试设备与公共电源之间的干扰信号隔离，使电网中的干扰进入不了待测试设备中，同时待测试设备中的干扰信号也进入不了电网中，而只能耦合到测试接收机中去；（3）利用LISN来耦合待测设备的干扰信号，相当于干扰信号获取设备。因此，LISN在传导EMI测试中具有非常重要的作用。

图8　仿真使用的原理图模型

图8中第二个虚线框中是一个П型的差模滤波器，有线性电感模型L1，L2，X电容CX1，CX2组成，作用是衰减差模干扰信号。图8中第三个虚线框中是共模滤波器，共模电感模型是由线性电感模型L3和L4经线性磁芯模型K1耦合后得到的，共模滤波器由共模电感模型和Y电容CY1，CY2组成，其作用是衰减共模干扰信号。另外，R8和C5是电源L线与地之间因差模和共模电感导致的高频寄生参R9和C6是电源N线与地之间因差模和共模电感导致的高频寄生参数［13］。V1是交流激励源。设置好激励源，共模电感，差模电感和线性磁芯耦合模型的参数后，就可以设置仿真参数并运行AC Sweep仿真，图9便是运行仿真后得到的结果。这个曲线是输出电压比上输入电压后得到的EMI滤波器的传递函数，从传递函数的波形可以看出，此低通EMI滤波器的截止频率为56 kHz左右，与前面的计算结果相一致。

图9　PSpice仿真EMI滤波器的传递函数

在PSpice仿真结果中添加传递函数的波特图，便可以得到图10所示的仿真结果，从图10可以看出，EMI滤波器在200 kHz的频率处衰减24 dB左右，与前面设计目标相近。因此仿真的结果验证了设计参数的正确。

图10　PSpice仿真EMI滤波器的波特图

2.2实验

对带有所设计的EMI滤波器电路的RGB LED驱动电源进行传导 EMI测试验证，按照标准EN55015进行测试，图11是测试设备及待测的LED驱动电源连接安装图。图12是传导EMI测试结果。

图11EMI测试安装图

图12带EMI滤波器时EMI测试结果

图12的测试结果满足EN55015标准的要求，但存在不足的地方是24 MHz～28 MHz的高频处的裕量不足，其原因有以下两点：（1）所选择的电容器自身等效串联电阻及由线脚引起的等效串联电感的存在，导致高频阻抗变化；（2）RGB LED电源板上面集成了Wi-Fi模块，高频Wi-Fi信号接近EMI滤波器并将高频干扰耦合到输入线。这两点都是可以通过其他方法来抑制，但不在本文讨论的范围之内。

3　结　论

本文通过对LED电源传导电磁干扰的分析，设计了一种结构简单的低成本电磁干扰低通滤波器，经过对所设计的滤波器电路参数的仿真，验证了设计的合理性，对使用所设计的EMI滤波器的60 W RGB LED电源进行传导EMI测试，测试结果进一步验证了设计的有效性。测试结果同时也反映出20 MHz～30 MHz的高频段裕量不足的问题，这是电源电路中引入高频工作的Wi-Fi模块等原因造成的，这一结果表明智能电源或家具等产品因引入高频工作的通讯模块而导致的电磁干扰问题需要引起注意。

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张明准（1983-），2006年于湖北工业大学获得学士学位，现为杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所在读硕士研究生，主要研究方向为开关电源技术和抗电磁干扰技术，zhangmingzhun@163.com；

秦会斌（1961-），1983年获得山东大学学士学位，分别于1990年、1996年获得电子科技大学硕士和博士学位，现为杭州电子科技大学教授，主要研究方向为新型电子器件的研发与应用、抗电磁干扰技术等，qhb@hdu.edu.cn。

DesignandSimulationforEMIFilterof 60W RGB LED PowerSupply*

ZHANG Mingzhun*，QIN Huibin，HU Yanrui
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The mechanism and hazard of EMI（Electromagnetic Interference，EMI）of a 60 W Red，Green，and Blue leds（Red，Green，and Blue Light-emitting Diode，RGB LED）power supply was introduced.A low cost EMI filter with simple structure was designed.A PSpice model of EMI filter was built，and parameters of EMI filter designed were simulated according to the PSpice model.The EMI filter was used in a prototype of RGB LED power supply，and EMI test result for LED power supply with EMI filter circuit verify the validity of proposed EMI filter.

EMI；filter；PSpice simulation；LED driver

TM925

A

1005-9490（2016）05-1204-05

项目来源：浙江省科技计划项目（2015F0024）

2015-10-30修改日期：2015-11-19

EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.036