LED電源中電磁兼容性的設計方案

各類電源產品在設計階段均需兼顧電磁兼容性能，LED 燈具產品對此項要求尤為突出。歷經行業發展，針對 LED 燈具電磁干擾的檢測、評定與存檔相關規范已陸續落地成型。

未經管控的電磁干擾極易引發各類故障問題，近期我便遇到了相關實例：自家車庫電動開門器原配 E27 白熾燈損毀，更換新式 LED 燈泡后燈具可正常點亮，但車庫遙控開門功能徹底失效，由此能夠判定，LED 燈具向外輻射的電磁波干擾了車庫門配套無線電控模組。

開關電源的電磁輻射分為傳導騷擾與輻射騷擾兩類，LED 驅動電源產生的電磁干擾，既可經由供電線纜傳導，也能依托磁耦合、容性耦合竄入周邊線路。這類干擾雖極少造成器件損毀，但極易致使鄰近電氣組件出現工作異常。

綜上，把產品電磁輻射控制在較低水平具備實際意義，而相關合規要求各區域均有明確規范。歐盟在售全品類電氣電子產品必須加貼 CE 標識，該標識代表產品滿足歐盟安全、健康及環保相關法令，唯有達標產品才可在歐洲經濟區上市流通；全球其余地區也出臺了多項電磁兼容準入規范，典型代表有 UL、CSA 等認證標準。

針對 LED 燈具的安全性能與電磁干擾，現行配套標準品類繁多，CISPR 11 是其中核心規范之一，CISPR 即國際無線電干擾特別委員會。除此之外，ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE 等機構也參照 CISPR 基準，制定了各類衍生規章與行業準則。

加裝外接電源濾波器是抑制傳導發射的成熟方案，該器件能夠濾除線路中的共模噪聲與差模噪聲，適用頻段大多在 30MHz 以內。不過濾波器的研發設計存在不小難度，多數產品僅針對特定頻段優化，在其余工作頻段中，元器件寄生參數會改變器件固有性能，進而影響濾波效果。舉例來說，適配 100kHz 開關電源的濾波器可高效抑制該頻點輻射，但開關電源往往會在超寬頻段產生干擾，尤其 10MHz 以上高頻區間干擾突出，此時受寄生參數與諧振現象影響，該款濾波器反而會加劇電磁輻射。

PCB 布線、無源元器件自帶的寄生電感與寄生電容，是決定高頻輻射抑制效果的關鍵參數，30MHz 至標準限定上限區間的輻射騷擾整改難度偏高，需要設計者具備充足的行業經驗與專業儲備。LED 驅動電源更是高頻輻射高發品類，產品普遍采用 LED 串聯驅動方案，串聯回路會占用大面積 PCB 空間，線路布局極易形成等效天線，大幅提升電磁波向外輻射效率；加之 LED 需要透光，無法采用金屬屏蔽罩做電路屏蔽，屏蔽方案成本高、落地難度大，因此從源頭削減輻射發射量是最優解決思路。

在帶內置電源的 LED 燈泡研發階段，可通過下述幾種方式優化產品電磁兼容表現：

●在電源輸入、輸出端口統一加裝濾波器：在未明確產品實際干擾頻譜的前提下選型用料，容易選用規格冗余的元器件，拉高物料與生產成本。

●沿用成熟定型的濾波器方案，放棄針對性定制優化：該做法同樣會帶來元器件成本偏高的問題，且濾波器無法貼合產品工況，濾波性能難以達到最優。

●外包專業工程師定制濾波器：需要長期維系外部技術資源，會額外增加項目研發開支。

●優先選用原生低輻射、電磁兼容指標優異的量產開關穩壓芯片：依托芯片自身優良 EMC 屬性，可大幅縮減甚至省去外圍濾波器件。

市面上絕大多數 LED 驅動采用升壓拓撲結構，圖 1 為升壓電路原理示意圖。升壓變換器輸入端傳導發射水平普遍偏低，輸入回路無脈沖式電流（圖示藍色電流環路）；但輸出端脈沖電流流經續流二極管（圖示紅色電流環路），致使輸出側騷擾強度偏高。功率開關管導通期間電感儲能，續流二極管無電流通過，負載所需電能全部由輸出電容供給。

圖1.升壓轉換器電路圖，這是LED驅動器的十分常見拓撲

圖 1 里，導通階段的電流用藍色標注，關斷階段的電流用綠色標注。開關切換瞬間、電流在極短時段內出現突變的全部線路，在圖 1 中統一標注為紅色。該類線路僅需數納秒，就能從導通載流狀態切換至斷電無流狀態，屬于電路關鍵走線。為削減輻射干擾，這類走線的布局需盡量精簡緊湊。

依托技術創新，現階段已有多款輻射指標遠優于傳統產品的開關穩壓電源芯片推向市場。此類芯片的關鍵走線排布具備高度對稱性，不同流向的電流所產生的磁場可實現大面積相互抵消，以此抑制輻射發射。

圖2.應用于升壓轉換器，磁場相互抵消

圖 2 呈現器件呈對稱排布結構，頂部紅色環路與底部紅色環路各自生成的磁場幅值一致、極性相反，兩種磁場能夠相互抵消。除該項結構優化設計外，各關鍵走線的寄生電感得到大幅削減，輻射場強度隨之明顯下降。該磁場抵消方案依托專屬功率晶體管排布結構落地，升壓轉換器內部功率晶體管同輸出電容間的電流通路（熱環路）長度，是決定對應磁場關聯電感的核心因素。借助倒裝芯片工藝可實現該通路尺寸大幅縮短，開關穩壓集成電路的硅晶圓摒棄傳統引線鍵合方案，改用銅柱與芯片外殼完成互連；銅柱自身具備更低電感參數。在開關電流速率維持一致的條件下，電路電壓擾動幅度顯著減小，輻射發射指標隨之降低。綜上，選用經過結構優化的 LED 驅動集成電路實現 EMI 大幅抑制具備較高可行性，部分工況下電路無需增設 EMI 濾波器，即可滿足對應的 EMI 限定標準。

圖 3 為一款低輻射發射的落地應用電路實例，該電路輸入電壓區間 8V~27V，用于驅動由 10 顆 LED 串聯組成、額定工作電流 333mA 的燈串。該星型拓撲電路的開關工作頻率設定為 2MHz，整體輻射發射量被控制在極低水平。

圖3.驅動器電路示例

圖4顯示了圖3中電路的平均輻射發射。紅線顯示了CISPR 25規范中的相應限值。可以看出，此規范很容易達到（下沖）。

圖4.圖3中平均輻射EMI (CISPR 25)

低輻射LED驅動器，常常還提供激活擴頻調制(SSFM)功能的選項。這可能不會減少實際產生的輻射， 但它會將輻射分散到更寬的頻率范圍內。這樣，對于各個EMC標準，測量中可以獲得更好的結果。在設置的開關頻率和該值的125%之間提供此功能。擴頻調制在VHV和UHV頻段中也會有非常顯著的影響，可將任何給定頻率的輻射降低到會影響無線電通信的水平之下。

像所有開關穩壓器一樣，對于LED驅動器，電路板布局的設計也非常關鍵。正確放置傳導快速開關電流的關鍵元件，對于最大程度降低輻射發射尤其重要。這些路徑中產生的寄生電感應盡可能小。電流環路也應設計得盡可能緊湊。

當今的某些現代LED驅動器特別注重使電磁輻射最小化。