魏秀梅,秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,杭州 310018)

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LED驅(qū)動(dòng)電源鐵氧體磁珠抑制傳導(dǎo)干擾研究*

魏秀梅,秦會(huì)斌*

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,杭州 310018)

摘要:為解決LED驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)電磁干擾問題,進(jìn)行了鐵氧體磁珠抑制傳導(dǎo)干擾的研究,討論了LED驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)EMI產(chǎn)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(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)EMI的原理.通過在LED驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)電磁干擾,并在一款3線LED驅(qū)動(dòng)電源上進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明鐵氧體磁珠能很好的抑制LED驅(qū)動(dòng)電源的傳導(dǎo)EMI。

關(guān)鍵詞:LED驅(qū)動(dòng)電源;傳導(dǎo)EMI;鐵氧體磁珠;傳導(dǎo)EMI抑制

LED驅(qū)動(dòng)電源的認(rèn)證中傳導(dǎo)EMI(Electro-Magnetic Interference)是測(cè)試的難點(diǎn),超標(biāo)問題最為普遍?，F(xiàn)有的傳導(dǎo)EMI噪聲抑制技術(shù)大致可以分成2類:一類是讓噪聲源產(chǎn)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(dǎo)EMI抑制技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)比較:無源濾波技術(shù)主要缺點(diǎn)是體積大,且會(huì)在噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗變化時(shí)導(dǎo)致濾波性能下降[1],有源EMI濾波技術(shù)由于需要檢測(cè)信號(hào),注入信號(hào),電路復(fù)雜,可靠性仍需要進(jìn)一步提高[2]、變頻技術(shù)輸出電壓與頻率相關(guān)[2]、軟開關(guān)技術(shù)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]等。

傳導(dǎo)EMI產(chǎn)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(dǎo)線、電感和電容耦合形成傳導(dǎo)EMI。本文重點(diǎn)介紹了電源傳導(dǎo)EMI產(chǎn)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(jù),闡述了鐵氧體磁珠對(duì)電源傳導(dǎo)EMI的抑制效果。

圖1　傳導(dǎo)EMI抑制技術(shù)

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(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料。根據(jù)電磁理論和麥克斯韋方程可知,電流周圍存在電場(chǎng),變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),在磁場(chǎng)作用下鐵氧體就會(huì)被磁化。下面通過理論計(jì)算分析磁珠的阻抗與頻率特。

圖2　穿過導(dǎo)線的鐵氧體磁珠的切面圖

鐵氧體材料的磁導(dǎo)率μ表達(dá)式為復(fù)數(shù):

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(chǎn)生的總的阻抗可表示為:

Zt=njωL=jXω+Rω

(2)

式中n是串聯(lián)磁珠個(gè)數(shù);ω=2πf,f是通過導(dǎo)線的信號(hào)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(dǎo)率等于4π×10-7h/m;μ是磁性材料的磁導(dǎo)率;I是流過導(dǎo)線的電流;h是磁珠的長(zhǎng)度;Do是磁珠的外直徑;Di是磁珠的內(nèi)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(hào)頻率f以及磁珠長(zhǎng)度h成正比。所以磁導(dǎo)率越高、體積越長(zhǎng)的磁珠抑制效果越好;內(nèi)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(xiàn)象,實(shí)際磁珠的干擾抑制需在一定的頻率范圍內(nèi),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(dǎo)干擾的基本原理是:在高頻部分磁珠損耗電阻Rω遠(yuǎn)大于磁珠電感量Xω,噪聲信號(hào)被吸收轉(zhuǎn)化成熱量;在低頻部分,這時(shí)Xω>Rω電路中相當(dāng)于加入了一個(gè)電感,噪聲信號(hào)會(huì)被發(fā)射,但是可能會(huì)引起電路諧振和震鈴問題,導(dǎo)致干擾加強(qiáng)。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)要根據(jù)噪聲信號(hào)特性選用合適的磁珠。

2　LED驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因和騷擾傳播路徑

電源整流器和輸出二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過,在受到反偏電壓作用而轉(zhuǎn)向截止時(shí),反向恢復(fù)電流急劇減小而發(fā)生很大的di/dt,將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾,其頻率可達(dá)幾十兆赫茲。開關(guān)管與高頻變壓器初級(jí)線圈串聯(lián),開關(guān)管斷開瞬間會(huì)形成關(guān)斷電壓尖峰,產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。同時(shí)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是窄脈沖矩形信號(hào),也含有大量諧波成分。元器件和電路寄生參數(shù)等也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

電源的傳導(dǎo)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(duì)地的干擾,差模干擾是指相線與中線之間流過的干擾信號(hào)。圖5是3線金屬外殼電源傳導(dǎo)EMI干擾路徑。

圖5　3線金屬外殼電源傳導(dǎo)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(jí)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(jīng)過電容C1流到外殼被線性阻抗網(wǎng)絡(luò)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(jí)經(jīng)電容Cps、C、CY到外殼再到LISN。

3　鐵氧體磁珠抑制LED驅(qū)動(dòng)電源傳導(dǎo)EMI原理

LED驅(qū)動(dòng)電源在過歐盟認(rèn)證時(shí)采用的傳導(dǎo)干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是EN55015電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測(cè)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(guān)。電源的開關(guān)頻率是通常可以達(dá)到數(shù)百兆赫茲,磁珠在低頻段類似于一個(gè)高Q值的電感,加在開關(guān)管漏極會(huì)加大電路初級(jí)的漏感,導(dǎo)致干擾加強(qiáng)的現(xiàn)象,所以在開關(guān)管漏極和柵極套上的磁珠必須有很高的磁導(dǎo)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(dǎo)干擾路徑

如圖6所示,整流橋4個(gè)引腳上套上磁珠,吸收掉整流過程中二極管通斷產(chǎn)生的干擾信號(hào),抑制圖6中的差模干擾電流Icm和所有共模干擾信號(hào);開關(guān)管柵極輸入的是PWM窄脈沖,存在高頻干擾,在開關(guān)管柵極和源極引腳上套上磁珠可以吸收?qǐng)D6中共模噪聲Id1和Id2的大量干擾信號(hào);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?qǐng)D6中的共模電流Id3中的EMI干擾。

實(shí)驗(yàn)中選中2種型號(hào)的鐵氧體磁珠:型號(hào)A是NiZn鐵氧體磁珠,尺寸為h=6 mm、Do=3.5 mm、Di=1.5 mm;型號(hào)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(guān)管漏極和柵極套上的磁珠選用型號(hào)A磁珠。其他位置選用的磁珠是型號(hào)B。下面用一款電源過傳導(dǎo)測(cè)試,該電源傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果如下:圖7是未加磁珠的3線金屬外殼電源傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果,圖8是加磁珠的3線金屬外殼電源傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果。

圖7　3線無磁珠電源傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果

圖8　3線有磁珠電源傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知,加了磁珠后干擾得到很好的抑制,該電源通過傳導(dǎo)干擾測(cè)試。

理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明:在產(chǎn)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(dǎo)EMI干擾。具體設(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際EMI嚴(yán)重程度選擇鐵氧體磁珠的類型與放置位置。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了LED驅(qū)動(dòng)電源鐵氧體磁珠抑制傳導(dǎo)EMI的原理,理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出鐵氧體磁珠價(jià)格低廉,體積小,在抑制電源傳導(dǎo)EMI干擾方面效果明顯,應(yīng)用在LED驅(qū)動(dòng)電源上既能提高產(chǎn)品的電磁兼容性,也能降低生產(chǎn)產(chǎn)本,可以取得良好的經(jīng)濟(jì)收益。

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[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(yīng)用的研究,2351189726@qq.com;

秦會(huì)斌(1961-),男,教授,主要從事新新型電子器件及ASIC設(shè)計(jì)、現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)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(hào):TN312.8;TM135.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0601-04

收稿日期:2013-08-08修改日期:2013-08-25

項(xiàng)目來源:杭州電子科技大學(xué)研究生優(yōu)秀畢業(yè)論文培育基金項(xiàng)目