如何控制LED驱动电路的EMI?解读多管齐下的解决策略

2021-05-31来源: EEWORLD关键字:LED  LED驱动电路  EMI

如何控制LED驱动电路的EMI?解读多管齐下的防与堵和源头解决的策略


稍有点岁数的工程师大概有体验,过去的收音机或电视总总是容易被周围的电子设备干扰,当开启电机或其他电子设备,正常的收音声音或电视画面会出现刺耳的噪声或画面闪动变形。事实上,这就是我们常说的电磁干扰(EMI),尽管今天的电子产品数字化确保了信号的可靠性,但实际上EMI在我们生活中无处不在,甚至更加严重,特别是无处不在的开关电源是“罪魁祸首”,例如今天广泛使用的LED照明。


LED已成为照明的首选。但在大多数应用中,仅凭LED本身还无法实现其照明的功能,必须采用合适的电源才能工作。这样的驱动器电路自然应该尽可能高效以降低能耗,LED主要使用开关电源的原因正在于此。当前针对LED产生的干扰的各种测量、评估和记录标准已经确立,为LED驱动提供干净可靠的电源是设计重点。


多管齐下的防与堵,核心在于解决“源头”


为让无处不在的LED不成为EMI的重灾区,LED产品也要使用各种EMC标准,包括欧盟的所有电气电子产品都要求有CE标志,只有合规的LED照明设备才能在欧洲经济区内流通。世界其他地区,设定了其他与电磁辐射干扰相关的重要要求,例如UL、CSA等标准。

有许多专门涉及LED灯的安全性和电磁辐射的标准,其中一个主要标准是CISPR 11。CISPR代表国际无线电干扰特别委员会。还有许多其他基于CISPR标准的规定和法规,包括ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE等。

 

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控制EMI的方法有许多种,包括屏蔽、滤波、隔离、铁氧体磁环、信号边沿控制以及在PCB中增加电源和GND层等等。就电源而言,传统方法是通过减慢开关边沿或降低开关频率。但是,这两种方法都会产生不良的影响,例如效率下降,最短接通和关断时间增加、需要采用大尺寸的解决方案等,而且EMI 滤波器或金属屏蔽等替代方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本,并使热管理和测试复杂化。


开关电源产生的辐射一部分是传导发射,部分是辐射发射。因此,LED驱动器产生的电磁辐射既可以通过电源线传输,也可以磁耦合或容性耦合到相邻电路段中。这些辐射通常不会造成破坏,但可能导致相邻电路元件工作不正常。


采取适当措施并使用外加的电源线滤波器,可以确定地减少传导发射。此类滤波器用于滤除共模或差模噪声。在这里,作用的频率范围通常低于30 MHz。但是,开发此类滤波器并非那么简单。滤波器通常针对特定频率范围进行优化。在其他频率范围,寄生效应以及其引起的器件特性变化可能会造成影响。


这种方式无法确定降低辐射发射,PCB走线及无源电路元件的寄生电感和电容的大小起着决定性的作用。通常频率在30 MHz以上至相应标准中规定的上限时,降低这些辐射发射非常困难,它需要丰富的经验和背景知识。特别是LED灯的驱动,辐射发射水平可能非常高。通常是驱动一串LED,此串联电路常常需要占用电路板上的大量空间。因此,其电路布局具有天线的特性。屏蔽电路复杂且昂贵,甚至因为光线无法穿过金属板屏蔽层,对LED甚至不能使用金属板屏蔽。因此,解决之道在于限制所产生的辐射发射量。


打铁还需本身硬,采用满足CISPR25EMI规格的LED解决方案


汽车中的大量电子产品必须具有合理的低电磁干扰,以避免妨害无线电接收、GPS 导航工具和其他形式的通信和广播。在该环境中通常使用开关模式稳压器,而且此类稳压器必须以减轻其固有噪声特性为目标来进行设计。要做到这一点并非总是轻而易举的,特别是因为汽车中电子产品的功率和数量不断地增加。


随着三电系统带来车内车外的照明系统变革,LED车灯光源成为汽车照明的不二选择,包括前照灯、日间行车灯、侧面指示灯和环境照明。其中前照灯组将远光灯和近光灯、昼间行驶灯,有时还包括信号灯和示宽灯整合为单个车前灯组。该灯组的组件会具有各不相同的电压和电流要求、拓扑、功率级别或调光功能要求。满足各种要求常常意味着需采用单独的驱动器解决方案。


使用多个驱动器不仅使物料清单和生产过程复杂化,而且还会导致难以满足EMI标准。每个额外的驱动器都会将其高频信号添加至交织混杂的EMI,从而使EMI认证、故障排除和缓解工作变得复杂。它必须具有小巧和通用的特点,以便容易地安装到灯组十分受限的空间之中,并产生极低的EMI,从而尽量地减少研发工作量并免除增设昂贵EMI金属屏蔽外壳的需要。而且,它还应该是高效率的。下面以ADI公司的同步、四开关降压-升压型LED控制器LT8391A为例,提供一种在满足所有上述要求的解决方案,并可驱动整个车前灯组,而且还是仅采用单个控制器。


LT8391ALED驱动器专为汽车前照灯而设计,它采用AEC-Q100组件并满足CISPR25Class5辐射EMI标准。扩展频谱频率调制降低了EMI,而且还在执行PWM调光的同时无闪烁地运行,而且仅需小型的电感器以及特别小的输入和输出EMI滤波器。对于2MHz转换器而言,不需要使用大型LC滤波器,而仅采用了小的铁氧体磁珠以降低高频EMI,这是极大的优势。


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采用LT8391A的2MHz演示电路DC2575A以1.5A驱动16VLED


汽车EMI要求不容易通过高功率转换器得到满足。布设在大面积PCB上且靠近大电容器的高功率开关和电感器会形成不希望有的热环路,特别是在包括一个大检测电阻器的时候。独特的LT8391A升降压型架构将检测电阻器从降压和升压开关对热环路中去除,因而实现了低EMI。

 

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用于车前灯组(近光灯、远光灯和DRL灯)的LT8391A多光束LED解决方案


从上图可以看出,LT8391A 2MHz、60V 升降压型 LED 驱动器控制器可为汽车前照灯中的LED灯串供电,该器件的特点包括其低EMI四开关架构和扩展频谱频率调制功能,用于满足CISPR 25 Class 5 EMI 规格要求。此外,该器件独特的高开关频率允许其在高于AM频段的频率条件下工作,因而所需的EMI滤波设计非常少。


本文小结:


对上述电路组成的24WLED驱动器的实测EMI,可以发现尽管该控制器具有2MHz工作频率和24W功率,但是这款升降压型LED驱动器仍然达到CISPR25Class5辐射和传导EMI规格要求。Class5规格是大多数汽车EMI测试的最严格要求和目标,不能达到Class5EMI规格要求常常成为系统设计的额外负责,他们要么通过各种防与堵的措施要么装入大的金属材料EMI屏蔽罩内。采用更加高效、更具EMC兼容特性、更具成本优势的电子器件和驱动器IC,可以使LED的优势在此类应用中得到充分发挥。


关键字:LED  LED驱动电路  EMI 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/LED/ic537095.html

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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