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如何讓LED光源燈具符合EMC標準

發(fā)布時(shí)間:2008-10-22

中心論題:

  • 分析轉換器和EMI濾波器的設計原理
  • 選擇將轉換器和EMI濾波器都集成到標準燈殼的設計

解決方案:

  • 使用體積更小的EMI濾波器
  • 采用了小型SO-8封裝有利于應用到降壓拓撲結構

 

引言
作為白熾燈的替換品,LED燈近年來(lái)才開(kāi)始推出市場(chǎng),但卻面臨著(zhù)諸多難題。由于將LED功率驅動(dòng)電路裝入標準燈殼具有難度,因此早期的一些LED燈并沒(méi)有內部濾波器,也就談不上符合 EMC 標準。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(kāi)關(guān)式鎮流器。這種方法可造成AC市電電流不平衡,因而導致某些設備的電能質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)符合EMC法規和電能質(zhì)量標準是非常重要的問(wèn)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的電子鎮流器,該方案符合標準燈殼空間限制要求以及EN55022A EMI標準。
  
設計目標
本設計用于為一串額定電流為300 mA的三個(gè)HB LED(相當于10W的標準白熾燈)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,但該電路必須達到12 VDC,以便為二極管的性能變化留出余地。其拓撲結構為開(kāi)關(guān)式恒流離線(xiàn)式降壓穩壓器,能夠在整個(gè)85至265 VAC通用輸入范圍內和47至64 Hz的線(xiàn)電壓頻率下進(jìn)行工作。其它設計目標包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。該設計可以集成到標準燈殼中(Edison螺口燈泡和卡口鹵素燈均可),非常便于替換現有的燈泡。而且,還可以利用設計工具和應用程序輔助完成該設計,以盡可能縮短新的HB LED燈的上市時(shí)間。
  
EMI符合性考量
由于空間和成本限制,市場(chǎng)上有很多LED燈其設計并不符合傳導EMI規范。但本文中的設計利用了集成到PI的LinkSwitch-TN功率轉換IC中的頻率調制特性,因此可以使用體積更小的EMI濾波器。
  
方案細節
PI的LinkSwitch-TN LNK306DN集成功率轉換IC中含有一個(gè)完全集成的700 V功率MOSFET,因而無(wú)需外部電源器件。離線(xiàn)式非隔離降壓拓撲結構可以在連續導通模式下以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(dòng)進(jìn)行調制,可以簡(jiǎn)化對EMI濾波器的設計要求。雖然本設計采用了降壓拓撲結構,但這種IC還可以配置為降壓-升壓轉換器。而非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是,LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封裝,這對于此應用的結構設計而言是個(gè)很大的優(yōu)勢。
  
轉換器和EMI濾波器的設計原理如圖1所示。根據電流檢測電阻器R8和R10之間的壓降,電流控制環(huán)路被設置為所需的恒定電流值。雖然標準設計支持的是300 mA的電流,但仍可以輕易適應最高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(lái)最大程度地降低功率耗散。EMI濾波器采用pi拓撲結構,并含有一個(gè)可熔阻燃電阻RF1,以用于過(guò)載保護。


圖1 轉換器與EMI濾波器電路
 

設計轉換器和EMI濾波器時(shí)只需要25個(gè)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)該設計的完整元件列表。
  
該應用的電氣設計對于這款成熟的功率轉換IC而言,顯得相當陳舊。最大的挑戰是結構設計,特別是將轉換器和EMI濾波器都集成到標準燈殼的設計。然而,該設計正好能裝入Edison螺口燈座(E27)和鹵素燈卡口燈座(GU 10)。
  
早在設計之初,我們便清楚:如果圓形PCB大得能夠容納所有轉換器和EMI濾波器元件的話(huà),它就無(wú)法裝入燈座中。因此我們決定將設計劃分為兩個(gè)圓形PCB,一個(gè)用于轉換器電路,另一個(gè)用于EMI濾波器。轉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(xiàn)互連完成裝配。


圖2 結構封裝挑戰


雖然該設計具有功能性,但仍存在傳導輻射問(wèn)題。由于兩個(gè)PCB比較接近,開(kāi)關(guān)電流會(huì )從轉換器電路板耦合到EMI濾波器電路板,從而降低EMI濾波器的性能。通過(guò)在這兩個(gè)電路板之間放置“屏蔽”PCB,這一問(wèn)題便得以解決。而第三個(gè)電路板只是一層銅,并無(wú)電路。它被電氣連接到EMI濾波器負輸出端與轉換器負輸入端的接合處。這樣,總裝便由三個(gè)疊加在一起的圓形電路板組成。增加第三個(gè)電路板既簡(jiǎn)單又節省成本,不但解決了耦合問(wèn)題,還達到了EMI性能要求。
  
性能
本參考設計可滿(mǎn)足各種設計目標。如果采用120 VAC的標稱(chēng)輸入電壓,電路效率將會(huì )超過(guò)62%。輸入電壓為220/240 VAC時(shí),效率將超過(guò)56%。根據EN55022A限制,采用準峰值和平均讀數在輸入電壓為115 VAC和230 VAC時(shí)表現出傳導EMI特征。在最差條件下,當輸入電壓配置為230 VAC時(shí),此電路可通過(guò)標準并有7 dB的電壓。當輸入電壓為115 VAC時(shí),裕值更高。


圖3 在230 VAC最差情況下符合EN55022A標準


結語(yǔ)
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燈的電子鎮流器集成到標準燈殼中是完全有可能的,并仍可符合EMI法規和電能質(zhì)量標準。此外,應用指南、設計工具以及新推出的LED照明應用站點(diǎn)都可以為設計提供廣泛的支持。

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