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LED灯泡的噪声对策(上)噪声电流有两种模式
[2012/6/6 15:29:00]   来源:中国之光网   编辑:zhaomingr   评论0
摘要:修订后的日本《电气用品安全法》将从2012年7月开始施行。经过此次修订,LED灯泡也成为了该法规的适用对象。在几项限制标准中,尤其引人关注的是关于电磁噪声强度的限制。目前市场上出现了与白炽灯泡和灯泡型荧光灯相......

  修订后的日本《电气用品安全法》将从2012年7月开始施行。经过此次修订,LED灯泡也成为了该法规的适用对象。在几项限制标准中,尤其引人关注的是关于电磁噪声强度的限制。目前市场上出现了与白炽灯泡和灯泡型荧光灯相比电磁噪声较大的LED照明器具,随着修订版《电气用品安全法》的施行,必须采取严格的噪声对策。本文将根据LED照明的现状,就LED照明的噪声种类、测评方法以及对策事例进行分析。


  起源于东日本大地震的供电不足问题使得人们的节电意识迅速高涨,LED照明器具和采用LED背照灯的液晶电视等节能产品正逐渐成为市场主流。LED照明器具方面,灯泡型、萤光管型、吊灯以及吸顶灯等已经开始投入市场。


  其中LED灯泡方面,不仅是知名照明厂商,新涉足厂商的产品也开始在家居用品店以低价销售,LED灯泡市场正在迅速扩大。


  与此同时,标准化及法规导入等旨在实现LED灯泡普及的环境也正在建立之中。此前,LED灯泡不在《电气用品安全法》的适用对象之内。因此,有些LED照明产品的电磁噪声较大。这样一来,如果将路灯的灯具由汞灯换成LED灯泡,就会引起电视和收音机的接收障碍。


  白炽灯泡是内部没有电源电路的电阻性负载,因此不存在这类电磁噪声问题。但换成LED灯泡后问题就凸现出来了。如果就这样推进LED照明的普及,家中会出现多处噪声源。


  因此在海外,LED照明器具与普通照明器具一样,都要符合国际标准CISPR15(《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》),各国均出台了基于该标准的限制规定。


  日本也将开始启用这种限制规定。从2012年7月开始,LED灯泡将成为《电气用品安全法》的适用对象。其中还包括关于噪声强度的规定(预定噪声端子电压的频带为526.5kHz~30MHz、噪声功率的频带为30MHz~300MHz)。


  无论《电气用品安全法》是否施行,随着LED照明市场的扩大,与其他电子产品之间相互干扰的问题也是无法避免的。


  LED灯泡的电磁噪声源是其电源电路。由于LED灯泡的电源部在尺寸方面限制较为严格,因此需要用最少的元件实施电磁噪声对策。尤其重要的是噪声对策元件的选择。因此,本文将以LED照明电源电路泄露的电磁噪声种类及其测量方法、以及能有效抑制电磁噪声的元件选择方法为中心进行分析。


  噪声电流有两种模式


  一般情况下,EMC(电磁兼容性:ELectro-magnetic compatibility)标准中定义了两种电磁噪声的测量,分别是辐射到空中的“辐射噪声”和流经电源线的“传导噪声(噪声端子电压)”(图1)。噪声电流中同时存在“差模”和“共模”两种模式的噪声成分。差模噪声是在信号线和地线之间产生的噪声。而共模噪声在是大地与信号线和大地与地线之间产生的噪声,信号线和地线与大地之间的噪声类型相同,即具有相同的相位和相同的振幅。


  图1:在LED灯泡中观测到的电磁噪声示例


  EMC规定中定义了辐射噪声和传导噪声两种电磁噪声的测量,LED灯泡也不例外。有的LED灯泡产品的噪声超过了CISPR15的规定值(准峰值:QP和平均值:AV)。


  辐射噪声的主要成分是共模噪声(图2(a))。这是因为,该噪声的电流环路面积要远远大于差模噪声的电流环路面积。


  图2:电磁噪声存在两种模式


  电磁噪声有差模和共模两种模式。辐射噪声中主要是共模成分(a)。而传导噪声中,差模和共模两种成分混合传播的情况较多(b)


  而在传导噪声中能观测到差模和共模两种成分(图2(b))。如果是传导噪声,需要在掌握噪声成分特点的基础上,根据其特点采取对策。首先来介绍一下抑制传导噪声的方法。


  区分电源的噪声模式


  传导噪声的测量,一般利用V型人工电源网络,针对电源线1(L1)和电源线2(L2)各自的电磁噪声,测量准峰值*(QP值)和平均值(AV值,图3(a))。利用V型人工电源网络虽然能测量各电源线与大地之间的噪声电压,但由于差模噪声和共模噪声二者合在一起,分不清哪种噪声模式是主体。


  图3:利用V型和Δ型人工电源网络测量


  在传导噪声的测量中,一般针对电源线1(L1)和电源线2(L2)各自的电磁噪声,利用V型人工电源网络测量准峰值和平均值(a)。     在该测量中,差模噪声和共模噪声合在一起,难以分辨哪种噪声模式是主体。而如果利用Δ型人工电源网络,便于分辨噪声模式的种类(b)。      该电源网络可根据噪声模式(Sym:差模,ASym:共模)测量其频率特性。


  *准峰值:对电磁噪声等进行检波时,用扩大了检波器时间常数的检波方式测量的值。是最大值和平均值之间的值。电磁噪声的准峰值较大时,容易引起收音机接收障碍。与相同接收灵敏度的相关关系要比峰值强。


  但如果采用“Δ型人工电源网络”便可判断噪声模式的种类(图3(b))。该电路网可以测量传导噪声中各噪声模式的频率特性。


  这种频率特性因产品类型而异。例如,LED灯泡、吊灯及大尺寸液晶电视之间的电磁噪声频率特性就有差别(图4)。LED灯泡是以差模噪声为主体,而LED吊灯是差模噪声和共模噪声混在一起。大尺寸液晶电视则以共模噪声为主体。


  图4:噪声成分因产品而异


  电子产品的种类变了,噪声成分的构成也会变化。例如,LED灯泡主要是差模噪声,LED吊灯中差模噪声和共模噪声混在一起(a,b)。


  而大尺寸液晶电视主要是共模噪声(c)。


  那么,为何不同产品的传导噪声噪声成分会有特定的倾向?通过用电磁场分析模拟来分析这种倾向,就知道原因所在了。


  噪声模式取决于尺寸


  传导噪声的测量在屏蔽室内进行。测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等标准规定。两种标准中规定,屏蔽室的基准面与被测物体的距离要保持在0.4m,连接人工电源网络和被测物体的电线长度为0.8m,被测物体设置在高0.8m的台子上(图5)。


  图5:传导噪声的测量在屏蔽室内进行


  本图为传导噪声的测量情形。该测量的屏蔽室内进行。具体的测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等规格规定。


  此时,共模噪声会通过屏蔽室内壁(金属)与被测物体之间的分布电容流出。我们将这种情况模型化,然后利用电磁场模拟,分析了被测物体的尺寸与共模噪声易流出性(共模阻抗)之间的关系。


  我们通过电磁场模拟分析了尺寸各异的4种(5×5×5cm3,10×10×10cm3,20×20×20cm3,100×80×20cm3)对象物,分别计算出了通过人工电源网络观察被测物体时的阻抗(图6)。


  图6:噪声模式取决于产品尺寸


  利用尺寸各异的4种对象物进行了电磁场解析模拟,计算出了从人工电源网络观察被测物体时的共模阻抗(a)。               根据结果可知,形状越大,屏蔽室基准面与被测物体的分布电容越大,共模路径的阻抗就越低(b)。另外,频率越高,共模阻抗越低(c)。


  图6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及将该阻抗换算成分布电容的值。


  从利用电磁场模拟分析4种对象物的结果可知,形状越大,屏蔽室内壁与被测物体之间的分布电容越大。也就是说,产品尺寸越大,共模路径的阻抗越低,共模噪声的电流越容易流动,该噪声成分就越容易变大。


  下篇将根据上述传导电磁干扰噪声的特点,介绍其对策。

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