让LED灯符合EMC及电能质量标准要求

    引言

    作为白炽灯的替换品，LED灯近年来才开始推出市场，但却面临着诸多难题。由于将LED功率驱动电路装入标准灯壳具有难度，因此早期的一些LED灯并没有内部滤波器，也就谈不上符合 EMC 标准。而且，其中很多的LED灯都采用了低效能的电容降压式电源，而不是开关式镇流器。这种方法可造成AC市电电流不平衡，因而导致某些设备的电能质量问题。同时符合EMC法规和电能质量标准是非常重要的问题，必须引起重视。

    本文将介绍一种基于LinkSwitch-TN系列小型SO-8封装电源IC的电子镇流器，该方案符合标准灯壳空间限制要求以及EN55022A EMI标准。

    设计目标

    本设计用于为一串额定电流为300 mA的三个HB LED(相当于10W的标准白炽灯)供电。在正常工作情况下，输出电压被串联LED的正向压降箝位在约9.5 VDC，但该电路必须达到12 VDC，以便为二极管的性能变化留出余地。其拓扑结构为开关式恒流离线式降压稳压器，能够在整个85至265 VAC通用输入范围内和47至64 Hz的线电压频率下进行工作。其它设计目标包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。该设计可以集成到标准灯壳中(EdisON螺口灯泡和卡口卤素灯均可)，非常便于替换现有的灯泡。而且，还可以利用设计工具和应用程序辅助完成该设计，以尽可能缩短新的HB LED灯的上市时间。

    EMI符合性考量

    由于空间和成本限制，市场上有很多LED灯其设计并不符合传导EMI规范。但本文中的设计利用了集成到PI的LinkSwitch-TN功率转换IC中的频率调制特性，因此可以使用体积更小的EMI滤波器。

    方案细节

    PI的LinkSwitch-TN LNK306DN集成功率转换IC中含有一个完全集成的700 V功率MOSFET，因而无需外部电源器件。离线式非隔离降压拓扑结构可以在连续导通模式下以66 KHz的最大频率进行工作。该频率采用4 kHz的峰峰值频率抖动进行调制，可以简化对EMI滤波器的设计要求。虽然本设计采用了降压拓扑结构，但这种IC还可以配置为降压-升压转换器。而非常关键的一点是，LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封装，这对于此应用的结构设计而言是个很大的优势。

    转换器和EMI滤波器的设计原理如图1所示。根据电流检测电阻器R8和R10之间的压降，电流控制环路被设置为所需的恒定电流值。虽然标准设计支持的是300 mA的电流，但仍可以轻易适应最高360 mA的输出电流。Q1和Q2可以放大检测到的压降，以便使用电阻较低的电流检测电阻器来最大程度地降低功率耗散。EMI滤波器采用pi拓扑结构，并含有一个可熔阻燃电阻RF1，以用于过载保护。

    图1  转换器与EMI滤波器电路

    设计转换器和EMI滤波器时只需要25个器件，完全不需要PCB和连接器件。在参考材料中可以找到有关该设计的完整元件列表。

    该应用的电气设计对于这款成熟的功率转换IC而言，显得相当陈旧。最大的挑战是结构设计，特别是将转换器和EMI滤波器都集成到标准灯壳的设计。然而，该设计正好能装入Edison螺口灯座(E27)和卤素灯卡口灯座(GU 10)。

    早在设计之初，我们便清楚：如果圆形PCB大得能够容纳所有转换器和EMI滤波器元件的话，它就无法装入灯座中。因此我们决定将设计划分为两个圆形PCB，一个用于转换器电路，另一个用于EMI滤波器。转换器电路板的最终直径为19.66 mm，而EMI滤波器的最终直径则为16.91 mm。这些电路板然后进行叠加，并与离散布线互连完成装配。

    图2  结构封装挑战

    虽然该设计具有功能性，但仍存在传导辐射问题。由于两个PCB比较接近，开关电流会从转换器电路板耦合到EMI滤波器电路板，从而降低EMI滤波器的性能。通过在这两个电路板之间放置“屏蔽”PCB，这一问题便得以解决。而第三个电路板只是一层铜，并无电路。它被电气连接到EMI滤波器负输出端与转换器负输入端的接合处。这样，总装便由三个叠加在一起的圆形电路板组成。增加第三个电路板既简单又节省成本，不但解决了耦合问题，还达到了EMI性能要求。

    性能

    本参考设计可满足各种设计目标。如果采用120 VAC的标称输入电压，电路效率将会超过62%。输入电压为220/240 VAC时，效率将超过56%。根据EN55022A限制，采用准峰值和平均读数在输入电压为115 VAC和230 VAC时表现出传导EMI特征。在最差条件下,当输入电压配置为230 VAC时，此电路可通过标准并有7 dB的电压。当输入电压为115 VAC时，裕值更高。

    图3  在230 VAC最差情况下符合EN55022A标准

    结语

    尽管存在一定的物理性限制，但是，以具有成本效益的方式将高性能HB LED灯的电子镇流器集成到标准灯壳中是完全有可能的，并仍可符合EMI法规和电能质量标准。此外，应用指南、设计工具以及新推出的LED照明应用站点都可以为设计提供广泛的支持。