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LED驅動電源的干擾問題解決方案

2018-08-09 12:25:16      點擊:
       對于LED驅動電源的干擾問題并不好解決,主要原因是干擾帶來的影響往往是防不勝防、且難以預測的,面對大小不一的種種干擾如何能把這個問題做好,就需要找到干擾問題的根源所在。
一、LED驅動電源產生干擾的原因
  LED驅動電源首先將工頻交流整流為直流,再逆變為高頻,最后經過整流濾波電路輸出,得到穩定的直流電壓,因此自身含有大量的諧波干擾。同時,由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰,都形成了電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上,突出表現在開關管、二極管、高頻變壓器上面。
  ①開關電路產生的電磁干擾
  開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心(同樣LED路燈電源與LED隧道燈驅動電源也一樣),主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是:開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。在開關管導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關管斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈,儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這種瞬變是一種傳導型電磁干擾,既影響變壓器初級,還會使傳導干擾返回配電系統,造成電網諧波電磁干擾,從而影響其他設備的安全和經濟運行。
  ②整流電路產生的電磁干擾
  整流電路中,在輸出整流二極管截止時有一個反向電流,它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中,能將反向電流迅速恢復到零的二極管稱為硬恢復特性二極管,這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時,由于PN結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化。
  ③高頻變壓器
  高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。需要注意的是,在二極管整流電路產生的電磁干擾中,整流二極管反向恢復電流的di/dt遠比續流二極管反向恢復電流的di/dt大得多。作為電磁干擾源來研究,整流二極管反向恢復電流形成的干擾強度大、頻帶寬。但是,整流二極管產生的電壓跳變遠小于功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此,也可不計整流二極管產生的│dv/dt│影響,把整流電路當成電磁干擾耦合通道的一部分來研究。
  ④分布電容引起的干擾
  開關電源工作在高頻狀態,因而其分布電容不可忽略。一方面,散熱片與開關管集電極間的絕緣片接觸面積較大,且絕緣片較薄,因此兩者間的分布電容在高頻時不能忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上,再流到機殼地,產生共模干擾;另一方面,脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容,可將原邊電壓直接耦合到副邊上,在副邊作直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。
  ⑤雜散參數影響耦合通道的特性
  在傳導干擾頻段(<30MHz),多數開關電源干擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是,開關電源中的任何一個實際元器件,如電阻、電容、電感乃至開關管、二極管都包含有雜散參數,且研究的頻帶愈寬,等值電路的階次愈高。因此,包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時,雜散參數對耦合通道的特性影響很大,分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外,在開關管功率較大時,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略,它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導的共模干擾。
二、開關電源電磁干擾的控制技術
  要解決開關電源的電磁干擾問題,可從3個方面入手:1)減小干擾源產生的干擾信號;2)切斷干擾信號的傳播途徑;3)增強受干擾體的抗干擾能力。因此,開關電源電磁電磁干擾要控制技術主要有:電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設計等。
  ①減少開關電源本身的干擾
  軟開關技術:在原有的硬開關電路中增加電感和電容元件,利用電感和電容的諧振,降低開關過程中的du/dt和di/dt,使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關斷時電流的下降先于電壓的上升,來消除電壓和電流的重疊。
  開關頻率調制技術:通過調制開關頻率fc,把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上,以降低各個頻點上的EMI幅值。該方法不能降低干擾總量,但能量被分散到頻點的基帶上,從而使各個頻點都不超過EMI規定的限值。為了達到降低噪聲頻譜峰值的目的,通常有兩種處理方法:隨機頻率法和調制頻率法。 
  元器件的選擇:選擇不易產生噪聲、不易傳導和輻射噪聲的元器件。通常特別值得注意的是,二極管和變壓器等繞組類元器件的選用。反向恢復電流小、恢復時間短的快速恢復二極管是開關電源高頻整流部分的理想器件。
  共模干擾的有源抑制技術:設法從主回路中取出一個與導致電磁干擾的主要開關電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓,并用它去平衡原開關電壓。
  濾波:EMI濾波器的主要目的之一,就是要在150kHz~30MHz的頻段范圍獲得較高的插入損耗,但對頻率為50Hz工頻信號不產生衰減,使額定電壓、電流順利通過,同時還必須滿足一定的尺寸要求。任何電源線上的傳導干擾信號,均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下,差模干擾幅度小,頻率低,所造成的干擾較小;共模干擾幅度大,頻率高,還可以通過導線產生輻射,所造成的干擾較大。因此,欲削弱傳導干擾,把EMI信號控制在有關EMC標準規定的極限電平以下,最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。
  PCB設計:PCB抗干擾設計主要包括PCB布局、布線及接地,其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。開關電源布局的最佳方法與其電氣設計類似。在確定PCB的尺寸形狀后,再確定特殊元器件(如各種發生器、晶振等)的位置。最后,根據電路的功能單元,對電路的全部元器件進行布局。
  減小電磁干擾的緩沖電路:其由線性阻抗穩定網絡組成,作用是消除在供電電力線內潛在的干擾,包括電力線干擾、電快速瞬變,電涌,電壓高低變化和電力線諧波等。這些干擾對一般穩壓電源來說,影響不是很大,但對高頻開關電源的影響顯著。
  ②切斷干擾信號的傳播途徑—共模、差模電源線濾波器設計
  電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。
  ③增強敏感電路的抗干擾能力
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