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如何讓LED光源燈具符合EMC標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)布時間:2008-10-22

中心論題:

  • 分析轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器的設(shè)計原理
  • 選擇將轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器都集成到標(biāo)準(zhǔn)燈殼的設(shè)計

解決方案:

  • 使用體積更小的EMI濾波器
  • 采用了小型SO-8封裝有利于應(yīng)用到降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

引言
作為白熾燈的替換品,LED燈近年來才開始推出市場,但卻面臨著諸多難題。由于將LED功率驅(qū)動電路裝入標(biāo)準(zhǔn)燈殼具有難度,因此早期的一些LED燈并沒有內(nèi)部濾波器,也就談不上符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。而且,其中很多的LED燈都采用了低效能的電容降壓式電源,而不是開關(guān)式鎮(zhèn)流器。這種方法可造成AC市電電流不平衡,因而導(dǎo)致某些設(shè)備的電能質(zhì)量問題。同時符合EMC法規(guī)和電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的問題,必須引起重視。
  
本文將介紹一種基于LinkSwitch-TN系列小型SO-8封裝電源IC的電子鎮(zhèn)流器,該方案符合標(biāo)準(zhǔn)燈殼空間限制要求以及EN55022A EMI標(biāo)準(zhǔn)。
  
設(shè)計目標(biāo)
本設(shè)計用于為一串額定電流為300 mA的三個HB LED(相當(dāng)于10W的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈)供電。在正常工作情況下,輸出電壓被串聯(lián)LED的正向壓降箝位在約9.5 VDC,但該電路必須達(dá)到12 VDC,以便為二極管的性能變化留出余地。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為開關(guān)式恒流離線式降壓穩(wěn)壓器,能夠在整個85至265 VAC通用輸入范圍內(nèi)和47至64 Hz的線電壓頻率下進(jìn)行工作。其它設(shè)計目標(biāo)包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。該設(shè)計可以集成到標(biāo)準(zhǔn)燈殼中(Edison螺口燈泡和卡口鹵素?zé)艟?,非常便于替換現(xiàn)有的燈泡。而且,還可以利用設(shè)計工具和應(yīng)用程序輔助完成該設(shè)計,以盡可能縮短新的HB LED燈的上市時間。
  
EMI符合性考量
由于空間和成本限制,市場上有很多LED燈其設(shè)計并不符合傳導(dǎo)EMI規(guī)范。但本文中的設(shè)計利用了集成到PI的LinkSwitch-TN功率轉(zhuǎn)換IC中的頻率調(diào)制特性,因此可以使用體積更小的EMI濾波器。
  
方案細(xì)節(jié)
PI的LinkSwitch-TN LNK306DN集成功率轉(zhuǎn)換IC中含有一個完全集成的700 V功率MOSFET,因而無需外部電源器件。離線式非隔離降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在連續(xù)導(dǎo)通模式下以66 KHz的最大頻率進(jìn)行工作。該頻率采用4 kHz的峰峰值頻率抖動進(jìn)行調(diào)制,可以簡化對EMI濾波器的設(shè)計要求。雖然本設(shè)計采用了降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但這種IC還可以配置為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。而非常關(guān)鍵的一點是,LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封裝,這對于此應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計而言是個很大的優(yōu)勢。
  
轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器的設(shè)計原理如圖1所示。根據(jù)電流檢測電阻器R8和R10之間的壓降,電流控制環(huán)路被設(shè)置為所需的恒定電流值。雖然標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計支持的是300 mA的電流,但仍可以輕易適應(yīng)最高360 mA的輸出電流。Q1和Q2可以放大檢測到的壓降,以便使用電阻較低的電流檢測電阻器來最大程度地降低功率耗散。EMI濾波器采用pi拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并含有一個可熔阻燃電阻RF1,以用于過載保護(hù)。


圖1 轉(zhuǎn)換器與EMI濾波器電路
 

設(shè)計轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器時只需要25個器件,完全不需要PCB和連接器件。在參考材料中可以找到有關(guān)該設(shè)計的完整元件列表。
  
該應(yīng)用的電氣設(shè)計對于這款成熟的功率轉(zhuǎn)換IC而言,顯得相當(dāng)陳舊。最大的挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計,特別是將轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器都集成到標(biāo)準(zhǔn)燈殼的設(shè)計。然而,該設(shè)計正好能裝入Edison螺口燈座(E27)和鹵素?zé)艨跓糇?GU 10)。
  
早在設(shè)計之初,我們便清楚:如果圓形PCB大得能夠容納所有轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器元件的話,它就無法裝入燈座中。因此我們決定將設(shè)計劃分為兩個圓形PCB,一個用于轉(zhuǎn)換器電路,另一個用于EMI濾波器。轉(zhuǎn)換器電路板的最終直徑為19.66 mm,而EMI濾波器的最終直徑則為16.91 mm。這些電路板然后進(jìn)行疊加,并與離散布線互連完成裝配。


圖2 結(jié)構(gòu)封裝挑戰(zhàn)


雖然該設(shè)計具有功能性,但仍存在傳導(dǎo)輻射問題。由于兩個PCB比較接近,開關(guān)電流會從轉(zhuǎn)換器電路板耦合到EMI濾波器電路板,從而降低EMI濾波器的性能。通過在這兩個電路板之間放置“屏蔽”PCB,這一問題便得以解決。而第三個電路板只是一層銅,并無電路。它被電氣連接到EMI濾波器負(fù)輸出端與轉(zhuǎn)換器負(fù)輸入端的接合處。這樣,總裝便由三個疊加在一起的圓形電路板組成。增加第三個電路板既簡單又節(jié)省成本,不但解決了耦合問題,還達(dá)到了EMI性能要求。
  
性能
本參考設(shè)計可滿足各種設(shè)計目標(biāo)。如果采用120 VAC的標(biāo)稱輸入電壓,電路效率將會超過62%。輸入電壓為220/240 VAC時,效率將超過56%。根據(jù)EN55022A限制,采用準(zhǔn)峰值和平均讀數(shù)在輸入電壓為115 VAC和230 VAC時表現(xiàn)出傳導(dǎo)EMI特征。在最差條件下,當(dāng)輸入電壓配置為230 VAC時,此電路可通過標(biāo)準(zhǔn)并有7 dB的電壓。當(dāng)輸入電壓為115 VAC時,裕值更高。


圖3 在230 VAC最差情況下符合EN55022A標(biāo)準(zhǔn)


結(jié)語
盡管存在一定的物理性限制,但是,以具有成本效益的方式將高性能HB LED燈的電子鎮(zhèn)流器集成到標(biāo)準(zhǔn)燈殼中是完全有可能的,并仍可符合EMI法規(guī)和電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。此外,應(yīng)用指南、設(shè)計工具以及新推出的LED照明應(yīng)用站點都可以為設(shè)計提供廣泛的支持。

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