LED驅動電源鐵氧體磁珠抑制傳導干擾研究*

魏秀梅,秦會斌

(杭州電子科技大學電子信息學院,杭州 310018)

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LED驅動電源鐵氧體磁珠抑制傳導干擾研究*

魏秀梅,秦會斌*

(杭州電子科技大學電子信息學院,杭州 310018)

摘要:為解決LED驅動電源傳導電磁干擾問題,進行了鐵氧體磁珠抑制傳導干擾的研究,討論了LED驅動電源傳導EMI產生的原因及噪聲傳播路徑、鐵氧體磁珠的特性、鐵氧體磁珠抑制LED驅動電源傳導EMI的原理.通過在LED驅動電源主要噪聲傳播路徑中串入鐵氧體磁珠,可以有效抑制LED驅動電源傳導電磁干擾,并在一款3線LED驅動電源上進行傳導測試,實驗測試結果表明鐵氧體磁珠能很好的抑制LED驅動電源的傳導EMI。

關鍵詞:LED驅動電源;傳導EMI;鐵氧體磁珠;傳導EMI抑制

LED驅動電源的認證中傳導EMI(Electro-Magnetic Interference)是測試的難點,超標問題最為普遍。現有的傳導EMI噪聲抑制技術大致可以分成2類:一類是讓噪聲源產生更少的噪聲;另一類是讓噪聲在傳播路徑中得到抑制,如濾波。圖1是具體的傳導EMI抑制技術。

現有技術比較:無源濾波技術主要缺點是體積大,且會在噪聲源阻抗和負載阻抗變化時導致濾波性能下降[1],有源EMI濾波技術由于需要檢測信號,注入信號,電路復雜,可靠性仍需要進一步提高[2]、變頻技術輸出電壓與頻率相關[2]、軟開關技術電路結構復雜[4]等。

傳導EMI產生的根本原因是電路中電流突變(di/dt)與電壓突變(du/dt),它們通過導線、電感和電容耦合形成傳導EMI。本文重點介紹了電源傳導EMI產生的原因及騷擾傳播途徑、鐵氧體磁珠的特性,并以此為依據,闡述了鐵氧體磁珠對電源傳導EMI的抑制效果。

圖1　傳導EMI抑制技術

1　鐵氧體磁珠的特性

磁珠的主要原料為鐵氧體,是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。根據電磁理論和麥克斯韋方程可知,電流周圍存在電場,變化的電場會產生磁場,在磁場作用下鐵氧體就會被磁化。下面通過理論計算分析磁珠的阻抗與頻率特。

圖2　穿過導線的鐵氧體磁珠的切面圖

鐵氧體材料的磁導率μ表達式為復數:

μ=μ′-jμ″

(1)

式中μ′決定著磁性材料的電感大小;μ″表示鐵氧體磁性材料的損耗率,決定著磁性材料的電阻大小。下圖為鐵氧體磁性材料μ′與μ″的磁譜曲線。

圖3　μ′與μ″的磁譜曲線

磁珠產生的總的阻抗可表示為:

Zt=njωL=jXω+Rω

(2)

式中n是串聯磁珠個數;ω=2πf,f是通過導線的信號頻率;Rω表示磁性材料損耗特性的損耗電阻

Rω=(nfμ*μ″h)ln(Do/Di)

(3)

μ*是自由空間磁導率等于4π×10-7h/m;μ是磁性材料的磁導率;I是流過導線的電流;h是磁珠的長度;Do是磁珠的外直徑;Di是磁珠的內直徑;

磁性材料的電感

Xω=nfμ*h(μ′-1)ln(Do/Di)

(4)

由上述式(7)可以得出,磁珠損耗電阻Rω與磁性材料的磁損耗率μ″、通過的信號頻率f以及磁珠長度h成正比。所以磁導率越高、體積越長的磁珠抑制效果越好;內徑越小,抑制效果也越好,并且磁珠的橫截面積越大,越不易飽和,承受的偏流越大。

磁性材料存在飽和現象,實際磁珠的干擾抑制需在一定的頻率范圍內,下面是鐵氧體磁珠阻抗頻率特性曲線如圖4所示。

圖4　鐵氧體磁珠的典型阻抗頻率特性曲線

鐵氧體磁珠抑制EMI傳導干擾的基本原理是:在高頻部分磁珠損耗電阻Rω遠大于磁珠電感量Xω,噪聲信號被吸收轉化成熱量;在低頻部分,這時Xω>Rω電路中相當于加入了一個電感,噪聲信號會被發射,但是可能會引起電路諧振和震鈴問題,導致干擾加強。所以實際應用時要根據噪聲信號特性選用合適的磁珠。

2　LED驅動電源傳導干擾產生的原因和騷擾傳播路徑

電源整流器和輸出二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在受到反偏電壓作用而轉向截止時,反向恢復電流急劇減小而發生很大的di/dt,將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十兆赫茲。開關管與高頻變壓器初級線圈串聯,開關管斷開瞬間會形成關斷電壓尖峰,產生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。同時開關管的驅動信號是窄脈沖矩形信號,也含有大量諧波成分。元器件和電路寄生參數等也會對其產生影響。

電源的傳導干擾干擾可以分為共模干擾和差模干擾其中以共模干擾為主。共模干擾是指相線與中線對地的干擾,差模干擾是指相線與中線之間流過的干擾信號。圖5是3線金屬外殼電源傳導EMI干擾路徑。

圖5　3線金屬外殼電源傳導干擾路徑

圖5中電容C1是接外殼的高壓瓷片電容;電容Cps是變壓器分布電容;電容Cds是MOSFET散熱器到外殼分布電容;電容CY是初次級跨接的Y電容。差模電流Icm在相線L與中線N之間流過;共模電流Id1經過電容C1流到外殼被線性阻抗網絡LISN接收;共模電流Id2流過電容Cds到外殼再流到LISN;共模電流Id3從電源初級經電容Cps、C、CY到外殼再到LISN。

3　鐵氧體磁珠抑制LED驅動電源傳導EMI原理

LED驅動電源在過歐盟認證時采用的傳導干擾測試標準是EN55015電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法[5]。由以上分析可知,磁珠的頻率特性與磁珠的尺寸和材料有關。電源的開關頻率是通常可以達到數百兆赫茲,磁珠在低頻段類似于一個高Q值的電感,加在開關管漏極會加大電路初級的漏感,導致干擾加強的現象,所以在開關管漏極和柵極套上的磁珠必須有很高的磁導率,低頻電感小,抑制頻率高。圖6是電路加入磁珠后的電源噪聲干擾路徑。

圖6　3線金屬外殼電源加磁珠傳導干擾路徑

如圖6所示,整流橋4個引腳上套上磁珠,吸收掉整流過程中二極管通斷產生的干擾信號,抑制圖6中的差模干擾電流Icm和所有共模干擾信號;開關管柵極輸入的是PWM窄脈沖,存在高頻干擾,在開關管柵極和源極引腳上套上磁珠可以吸收圖6中共模噪聲Id1和Id2的大量干擾信號;在電容C1兩端套上磁珠可以有效抑制流到外殼的共模噪聲電流Id1;在輸出二極管引腳上也套上磁珠抑制圖6中的共模噪聲Id3中干擾;輸入與輸出之間跨接電容,且在Y電容引腳上套上磁珠,可以吸收圖6中的共模電流Id3中的EMI干擾。

實驗中選中2種型號的鐵氧體磁珠:型號A是NiZn鐵氧體磁珠,尺寸為h=6 mm、Do=3.5 mm、Di=1.5 mm;型號B是NiZn鐵氧體磁珠,尺寸為h=3 mm、Do=3.5 mm、Di=1.5 mm。在開關管漏極和柵極套上的磁珠選用型號A磁珠。其他位置選用的磁珠是型號B。下面用一款電源過傳導測試,該電源傳導測試結果如下:圖7是未加磁珠的3線金屬外殼電源傳導測試結果,圖8是加磁珠的3線金屬外殼電源傳導測試結果。

圖7　3線無磁珠電源傳導測試結果

圖8　3線有磁珠電源傳導測試結果

由測試結果可知,加了磁珠后干擾得到很好的抑制,該電源通過傳導干擾測試。

理論與實驗結果均表明:在產生EMI干擾較多的元器件位置和EMI噪聲傳播途徑中放置鐵氧體磁珠可以抑制傳導EMI干擾。具體設計中要根據實際EMI嚴重程度選擇鐵氧體磁珠的類型與放置位置。

4　結束語

本文分析了LED驅動電源鐵氧體磁珠抑制傳導EMI的原理,理論結合實驗驗證,得出鐵氧體磁珠價格低廉,體積小,在抑制電源傳導EMI干擾方面效果明顯,應用在LED驅動電源上既能提高產品的電磁兼容性,也能降低生產產本,可以取得良好的經濟收益。

參考文獻:

[1]Choi B,Kim D,Lee D,et al.Analysis of Input Filter In-Teractions in Switching Power Converters[J].IEEE Trans Power Electron,2007,22(2):452-460.

[2]Mainali K,Oruganti R.Design of a Current-Sense Voltage-Feedback Common Mode EMI Filter for an Off-Line Power Converter[C]//Proc IEEE Power Electron Spec Conf,2008:1632-1638.

[3]Li H,Zhang B,Li Z,et al.Controlling DC-DC Converters by Chaos-Based Pulse Width Modulation to Reduce EMI[J].Chaos,Solitons Fractals,2009,42:1378-1387.

[4]Rashid M H.Power Electronics Handbook[M].New York:Academic,2007:42-43.

[5]EN55015-2009,Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics of Electrical Lighting and Similar Equipment[S].2009:23-27.

魏秀梅(1989-),女,安徽亳州人,研究生,主要從事新型電子器件與應用的研究,2351189726@qq.com;

秦會斌(1961-),男,教授,主要從事新新型電子器件及ASIC設計、現代傳感器設計及應用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

SolutionofConductedEMIforLEDDrivePowerUsingFerriteMagneticBead*

WEIXiumei,QINHuibin*

(Institute of Electron Device and Application,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:To solve the problem of conducted electromagnetic interference(EMI)for LED drive power,the study on the ferrite magnetic bead restraining interference is introduced,the cause of conducted EMI,the propagation path of the EMI noise for LED drive power,the characteristics of ferrite magnetic bead,the principle of restraining theconducted EMI of ferrite magnetic bead in conducted EMI for LED drive power are discussed.The conducted EMI for LED drive power can be effectively restrained by adding the ferrite beads in the propagation path of the EMI noise for LED drive power and get a conducted test on a three-wire LED drive power.The experimental result shows that the ferrite magnetic bead can restrain the conducted EMI for LED drive power very well.

Key words:LED drive power;conducted EMI;ferrite magnetic bead;suppression of conducted EMI

doi:EEACC:4260D;312010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.004

中圖分類號:TN312.8;TM135.5

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0601-04

收稿日期:2013-08-08修改日期:2013-08-25

項目來源:杭州電子科技大學研究生優秀畢業論文培育基金項目