讓LED燈符合EMC及電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求

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(dòng)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(shí)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(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)用于為一串額定電流為300 mA的三個(gè)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(gè)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(jì)目標(biāo)包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。該設(shè)計(jì)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(jì)工具和應(yīng)用程序輔助完成該設(shè)計(jì)，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，市場上有很多LED燈其設(shè)計(jì)并不符合傳導(dǎo)EMI規(guī)范。但本文中的設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)進(jìn)行調(diào)制，可以簡化對(duì)EMI濾波器的設(shè)計(jì)要求。雖然本設(shè)計(jì)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(diǎn)是，LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封裝，這對(duì)于此應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言是個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

轉(zhuǎn)換器和EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。根據(jù)電流檢測(cè)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(jì)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(cè)到的壓降，以便使用電阻較低的電流檢測(cè)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(gè)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(jì)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的完整元件列表。

該應(yīng)用的電氣設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)，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(jì)。然而，該設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)劃分為兩個(gè)圓形PCB，一個(gè)用于轉(zhuǎn)換器電路，另一個(gè)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(jì)具有功能性，但仍存在傳導(dǎo)輻射問題。由于兩個(gè)PCB比較接近，開關(guān)電流會(huì)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(gè)電路板之間放置“屏蔽”PCB，這一問題便得以解決。而第三個(gè)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(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(jì)可滿足各種設(shè)計(jì)目標(biāo)。如果采用120 VAC的標(biāo)稱輸入電壓，電路效率將會(huì)超過62%。輸入電壓為220/240 VAC時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)工具以及新推出的LED照明應(yīng)用站點(diǎn)都可以為設(shè)計(jì)提供廣泛的支持。