LED燈具的電磁兼容設計與應用

　　編輯推薦

　　作者針對LED及其驅動器EMC實務問題用心編寫了這本工程設計參考書籍，力求淺析易懂、快速有效。EMC問題是業界產品開發的共同難點，目前業界設計主要依賴于實踐經驗，理論依據不足。本書中獨特的EMI解決方法可直接在設計中使用，便捷且有理論依據，特別適合從事LED及通用開關電源設計者參考。

　　 作者簡介

　　1998年于浙江大學獲得博士學位，2011年創辦上海正遠電子技術有限公司，專注于電力電子技術的研究和應用，主攻電磁兼容和可靠性設計及應用的解決方案與技術培訓。現兼任中國電源學會專家委員會委員、科普工作委員會主任委員，上海電源學會副秘書長等職務。

　　 目錄

　　目 錄

　　第1章 LED燈具面臨的挑戰 1

　　1.1 LED燈具的興起 1

　　1.2 價格的挑戰 2

　　1.3 光效的挑戰 4

　　1.4 全球法規的挑戰 6

　　1.5 兼容性的挑戰 8

　　1.6 可靠性的挑戰 11

　　1.7 電磁兼容性的挑戰 14

　　1.8 小結 16

　　第2章 電磁兼容設計基本概念 18

　　2.1 電磁干擾（EMI）和電磁抗干擾（EMS） 18

　　2.2 電磁干擾源 19

　　2.2.1 自然干擾源 20

　　2.2.2 人為干擾源 21

　　2.2.3 電的基本特性 22

　　2.2.4 輻射天線 24

　　2.3 途徑 32

　　2.3.1 差模干擾和共模干擾 33

　　2.3.2 近場干擾和遠場干擾 34

　　2.4 設備 35

　　2.5 噪聲的常見方法 37

　　2.5.1 傳導噪聲的常見方法 37

　　2.5.2 輻射噪聲的常見方法 38

　　2.6 小結 39

　　第3章 詳解LED燈具的電磁兼容法規 41

　　3.1 面對電磁兼容法規的困惑 41

　　3.1.1 法規中的法規 41

　　3.1.2 不同國家和地區的要求 43

　　3.1.3 燈具和配件要求不同 45

　　3.2 國內外電磁兼容的歷史背景 46

　　3.3 電磁兼容標準的框架 47

　　3.4 電磁兼容測試分類 50

　　3.5 電磁干擾（EMI） 50

　　3.5.1 傳導測試（EN55015） 51

　　3.5.2 輻射測試（EN55015） 55

　　3.5.3 輸入電流諧波測試（EN61000-3-2） 59

　　3.5.4 注入公共電網的電壓測試（EN61000-3-3） 63

　　3.6 電磁抗干擾（EMS）（EN61547） 63

　　3.6.1 靜電放電（IEC61000-4-2） 67

　　3.6.2 射頻電（IEC61000-4-3） 70

　　3.6.3 電快速瞬變脈沖群（IEC61000-4-4） 73

　　3.6.4 浪涌（雷擊）（IEC61000-4-5） 77

　　3.6.5 注入電流（IEC61000-4-6） 80

　　3.6.6 工頻（IEC61000-4-8） 81

　　3.6.7 電壓跌落和中斷（IEC61000-4-11） 84

　　3.6.8 電磁抗干擾測試小結 84

　　3.7 小結 86

　　第4章 輸入功率因數PF的設計考慮 87

　　4.1 功率因數矯正（PFC）的目的 87

　　4.2 電解決方案 90

　　4.2.1 無源填谷式PFC電 90

　　4.2.2 無源PFC降壓恒流驅動電（PPFC+Buck） 93

　　4.2.3 無源PFC反激式恒流驅動電 94

　　4.2.4 APFC降壓恒流驅動電 94

　　4.2.5 APFC反激式恒流驅動電 96

　　4.2.6 兩級功率變換的恒流驅動電 98

　　4.2.7 高壓分段線性恒流驅動電 102

　　4.3 驅動器控制芯片的選擇 104

　　4.4 實際應用案例 105

　　4.4.1 單級Buck降壓非隔離驅動器 105

　　4.4.2 單級PFC反激式隔離恒流驅動器 106

　　4.4.3 多串變壓器LLC隔離恒流驅動器 107

　　4.4.4 高壓分段線性恒流驅動器 110

　　4.5 小結 114

　　第5章 EMI設計考慮 115

　　5.1 為何結構設計會影響EMC性能 115

　　5.1.1 LED燈具機械結構如何影響其EMC性能 116

　　5.1.2 安全法規中的傳統燈具分類 119

　　5.1.3 燈具的接地結構 120

　　5.1.4 驅動器的接地結構 121

　　5.1.5 燈珠模塊的寄生電容Cstray 122

　　5.2 安規電容 124

　　5.2.1 X電容的作用 125

　　5.2.2 X電容的分類 125

　　5.2.3 X電容的 126

　　5.2.4 Y電容的作用 127

　　5.2.5 Y電容的分類 127

　　5.2.6 Y電容的 127

　　5.3 驅動器工作模式 128

　　5.3.1 準諧振反激式變換器（Quasi-Resonant Flyback Converter） 129

　　5.3.2 電流臨界連續功率因數矯正變換器（CRM PFC Converter） 129

　　5.3.3 LLC諧振隔離變換電 131

　　5.4 布線設計考慮 131

　　5.4.1 PCB布局 131

　　5.4.2 回面積 135

　　5.4.3 VCC和VSS回面積 137

　　5.4.4 回抵消 138

　　5.4.5 接地技術 138

　　5.4.6 地平面和功率平面 139

　　5.4.7 PCB走線的寄生參數 140

　　5.4.8 過孔 141

　　5.5 無Y電容的解決方案 143

　　5.6 實際應用案例 144

　　5.6.1 案例1：40W非隔離LED驅動器的LED三防燈 144

　　5.6.2 案例2：20W隔離LED驅動器的工作燈 148

　　5.7 電磁兼容設計面對的沖突 151

　　5.7.1 燈具的結構 151

　　5.7.2 安規的沖突 154

　　5.7.3 熱設計的沖突 154

　　5.7.4 沖突的權衡 156

　　5.8 小結 156

　　第6章 雷擊浪涌的設計考慮 158

　　6.1 應用場合與防雷要求 158

　　6.1.1 室內燈具的防雷 159

　　6.1.2 室外燈具的防雷 160

　　6.1.3 實際應用場合的雷擊浪涌強度 161

　　6.2 整體電氣結構、機械結構與雷擊浪涌電流 163

　　6.3 防雷器件的選型及使用 166

　　6.3.1 雷擊浪涌吸收器件 166

　　6.3.2 放電間隙 167

　　6.3.3 氣體放電管 167

　　6.3.4 壓敏電阻選型 168

　　6.3.5 智能型壓敏電阻 172

　　6.4 雷擊浪涌實際案例 174

　　6.5 小結 177

　　第7章 電磁兼容（EMC）問題的診斷和調試技巧 179

　　7.1 產品開發周期的主要瓶頸——電磁干擾（EMI） 179

　　7.2 不同頻率段下的EMI診斷和解決措施 180

　　7.3 時頻穿越決EMI問題 184

　　7.3.1 近場探頭的特性及其使用方法 185

　　7.3.2 案例1：時頻穿越法快速解決EMI問題 190

　　7.3.3 案例2：25W隔離型LED驅動器 197

　　7.4 遞進應力的雷擊浪涌測試方法 203

　　7.4.1 法規要求的確認 205

　　7.4.2 測試準備 205

　　7.4.3 測試設備的確認 205

　　7.4.4 遞增雷擊浪涌應力測試 207

　　7.4.5 確認原因 208

　　7.4.6 解決措施 210

　　7.4.7 余量驗證 211

　　7.5 小結 212

　　參考文獻 214

　　 序言

　　前 言

　　隨著現代電子技術的飛速發展，各種各樣的電子設備在家庭、工業、醫療、交通和國防等領域廣泛應用。然而，這些設備在工作的同時會產生各種各樣的電磁干擾，再加上自然界的電磁干擾影響，不僅使得這些設備本身無法正常工作，而且嚴重時會造成設備損壞，導致動車追尾、通信癱瘓和飛機失事等災難性后果。

　　電磁干擾問題也同樣出現在照具和照明系統中，輕者出現燈具閃爍、忽明忽暗，重者造成死燈、嚴重的交通事故、醫療事故甚至火災等災害性事故。

　　LED照明技術正方興未艾，目前正處于替換傳統光源的時期，比如LED球泡燈替換白熾燈、LED熒光燈管替換T8熒光燈和LED筒燈替換鹵素射燈等。在替換過程中，LED燈具出現了各種各樣奇怪的現象和問題，比如，燈具做常規絕緣測試時燈珠損壞，燈具的使用壽命遠比設計壽命短得多，燈具安裝后剛點亮就損壞，LED燈在雨天后就大面積死燈等現象。對上述的失效現象已經有很多解釋，如LED燈珠的質量問題、生產工藝問題、驅動器的可靠性、結構設計問題、系統兼容性問題和電磁兼容問題等，本書希望從電磁兼容的角度進行深入的討論和分析失效機理，提出相應的解決方案，并進行驗證。

　　電磁兼容（EMC）問題可以分為兩大類：設備對的電磁和對設備的電磁。電磁由交變的電場和產生，即由dv/dt和di/dt噪聲源產生，然后以傳導和輻射的方式進行。目前，流行的EMC問題解決方法可以分為兩大類，簡稱為“”和“場”。“”的方法以電的方式進行分析和解決EMC問題，比如用共模和差模濾波來共模和差模噪聲的方法就極具代表性，有很多開關電源工程師在“”的解決方法上積累了很多經驗；“場”的方法以電分布的角度進行分析和解決EMC問題，以近場和遠場的判斷場源特性為主要代表，無線通信工程師在場的方法上往往具有很多豐富的經驗。

　　無論是“”的方法還是“場”的方法，都有各自的優勢和用武之地，而兩者提出的解決方案都離不開對隱藏于實際產品和電原理圖后的噪聲源、途徑和周邊電磁的分析。然而，噪聲源的確切和其途徑在實際設計和調試中卻一直很模糊，通常依賴工程師的經驗進行估計和猜測，甚至有人戲稱EMC的調試為“玄學”。那么是否有實用的工具能直觀、快捷地發現噪聲源的和其途徑？如果有這樣的工具，如何使用這個工具來解決電磁兼容問題？

　　本書以“實踐不離理論指導，理論不離實踐驗證”為旨，以LED燈具為切入點，內容共7章，探討LED燈具及其應用的電磁兼容問題，從電磁兼容基本概念的角度，透過看得到的實際產品和電原理圖來確認隱藏其后的交變電分布，找到準確的噪聲源和途徑；結合電磁兼容法規和相關的標準測試方法，闡述EMC常見解決方法的理論基礎，并結合實際案例進行驗證；最后，推介兩種快捷實用的電磁兼容解決方法——時頻穿越法和遞進應力法，來解決產品中的電磁干擾問題和抗干擾問題。

　　第1章介紹LED燈具面臨的市場競爭、法規、可靠性和應用場合的挑戰，指出產品電磁兼容性的重要性。

　　第2章從系統和空間的角度主要介紹基礎的電磁兼容三要素、共模和差模的、交變電場和天線的特性、近場干擾與遠場干擾的特性區別，以及噪聲的典型方法。

　　第3章詳細解讀了各項電磁兼容法規的內容，并闡述各項法規與電磁兼容基本概念之間的關系，以及各項法規中的標準測試方法。

　　第4章先介紹了網側輸入功率因數PF矯正的目的和定義，再結合最新的歐盟ErP和的能源之星法規，對主流的無源和有源功率因數的解決方案進行介紹，并列舉了一些實際應用案例和相關的控制芯片。

　　第5章先從燈具整體結構角度闡述如何進行LED燈具的EMI設計，再深入討論LED驅動器內部的EMI設計，包括安規電容選型、電工作模式、布線和關鍵磁性器件的EMI設計，最后結合一些實際案例進一步驗證EMI解決措施的效果；當面對電磁兼容的解決措施與燈具整體結構布局、安規、散熱設計和燈具安裝方式沖突時，推薦了一些處理這些沖突的思。

　　第6章主要討論LED燈具的防雷設計，不僅從LED驅動器的防雷設計出發，而且從燈具本身的電氣和機械結構設計以及應用的防雷要求出發，結合共模和差模雷擊，介紹如何選擇防、如何選型防雷器件，并介紹了一個實際的LED燈具雷擊失效的解決方法案例。

　　第7章主要介紹了一種實用快速的時頻穿越決EMI問題和遞進應力的雷擊浪涌測試方法，并結合實際案例介紹了具體的實現步驟和驗證結果。

　　衷心感謝我的父母和夫人鄭丹葉對我撰寫本書的傾力支持；感謝林渭勛老師的；感謝寧波遠東照明有限公司提供的實際案例；感謝師兄弟和同事的技術交流和討論；最后要感謝一起參與撰寫本書的黃彭序、潘小瑩、鄭吉安、虞素婉、鄭丹葉、張曦春、顧殷嘉和黃青藍。

　　由于作者水平所限，書中難免有錯誤和不足之處，各位專家、同行和讀者。

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