吸收电容对LED电源EMI的抑制实例分析

赖淋香

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

吸收电容对LED电源EMI的抑制实例分析

赖淋香

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

根据LED驱动电源的认证经验，其EMC测试项目中的电源端子骚扰电压和30～300 MHz辐射骚扰场强测试项目不容易合格，而且经过整改往往会增加电源成本。以一款单端反激式LED驱动电源为例，首先，介绍了单端反激式开关电源的工作原理；然后，探讨开关管MOSFET的漏极和源极并联小容量吸收电容后对驱动电源EMI的影响。通过对比测试结果发现，吸收电容的加入对原测试不合格的LED驱动电源起到了良好的EMI抑制作用，最终使得产品符合标准要求。此方法操作简单，成本低廉，为整改工程师提供参考。

发光二级管；吸收电容；电源端子；骚扰电压；辐射骚扰场强

0 引言

近几年，LED灯作为新一代的绿色光源，具有高亮度、高效率、寿命长、无污染和体积小，以及便于生产、运输等一系列的优点而得到了迅速的推广和应用。LED驱动电源是LED灯的关键部件，其性能优劣直接影响到LED灯的质量好坏，以及寿命的长短。

目前LED驱动电源主要有两类电路:线性电源和开关电源。线性电源的电路较简单，基本没有EMI问题，但其存在效率低下、体积大、重量大和发热量大等缺点，因此市场使用量少。开关型电源的电路较为复杂，需要做专门的EMI处理，但其拥有效率高（80%以上）、体积小、重量小和成本低等优点而得到了很好的应用。目前市场上的LED驱动大部分属于开关电源。开关电源的主要原理是通过控制开关管的导通与截止，从而控制高频变压器初级电流的通断，最终实现电能从变压器初级传递到次级，完成电压的隔离、转换，以及输出恒流控制等。

在开关管导通与截止的瞬间，会产生电流和电压的突变即di/dt和du/dt[1]，而且这些突变量很大，容易引起严重的EMI问题。对于认证的产品来说，这将直接影响到产品是否符合标准要求；对于产品本身来说，这可能影响产品性能，甚至产品的寿命。因此，设计工程师往往会在敏感回路中加入吸收网络来滤除由于电压、电流突变而引起的电磁骚扰。本文介绍一种简单、低成本的EMI抑制方法，仅用小容值的电容，并联在开关管源级和漏极两端，以改善产品的EMI特性。

1 单端反激式开关电源的实例分析

本文以一款LED驱动电源为实例，该驱动电源变压器转换部分的原理如图1所示。变压器T 1左边为初级，右边为次级。

图1 LED驱动电源变压器转换部分的原理图

此驱动电源采用单端反激式拓扑结构，通过PWM控制MOSFET开关管Q 1的导通时间，以维持输出电压或者输出电流的稳定[2]。在开关管Q 1导通阶段，高频变压器T 1的初级电流回路闭合，电源电压加载到变压器T 1的初级绕组两端，电压极性为上正下负。在反激式开关电源中，变压器初级绕组和次级绕组的同名端是相反的，因此变压器T 1次级的感应电压极性为上负下正，次级整流二级管处于截止状态，能量暂时储存在高频变压器中，此时没有能量传送到负载上[3]。在开关管Q 1截止阶段，高频变压器T 1初级线圈处于开路状态，电流回路消失，此时T 1将产生反向电动势，从而使次级绕组产生极性为上正下负的感应电动势。次级整流二极管导通，存储在变压器中的能量通过次级绕组、次级整流二极管，最终释放到负载，完成能量的传输。

在理想情况下，变压器初级绕组的能量将完全传递到次级绕组中。但是在实际的工作过程中，变压器初级绕组与次级绕组间存在一定大小的漏感，该漏感导致了开关管Q 1在截止时，变压器中的能量不能完全传递到次级，而是在初级绕组产生了很高的感应电动势。该感应电动势一方面与电源电压叠加，很容易将开关管击穿；另一方面漏感还可以和电路中的分布电容形成谐振，使电路产生振荡，易造成电磁干扰。

单端反激式开关电源的电路简单、所用的器件少、成本低廉，适合于小功率的LED驱动电源（一般小于100 W），因此应用广泛。如何高效、快速地解决由漏感产生的EMI问题，是LED驱动电源厂家都会面临的问题。在认证过程中也经常发现了很多LED驱动电源在经过了多次整改后仍不符合标准要求的情况。

本文探讨一种使用单电容器吸收电路来改善开关电源的EMI性能的方法，该方法电路简单，成本低廉。如图2所示，选择一小容值的电容器Cab并联在开关管Q 1的源级和漏极，构成一个简单的吸收电路。

在开关管Q 1导通阶段，一方面将变压器T 1的初级绕组连接到电源中，能量暂时存储到变压器T 1中，另一方面吸收电容器Cab因开关管Q 1的导通，构成了泄放回路，存储在吸收电容中的电能被开关管以热量的形式消耗掉，完成了吸收电容能量的泄放。

图2 增加吸收电容后Cab的原理图

在开关管Q截止阶段，一方面存储在变压器T 1中的电磁能通过次级传输到负载，另一方面由于漏感的存在，初级绕组将产生感应电动势，该感应电动势立即向吸收电容充电，实现漏感能量以电能的形式存储在吸收电容中，极大地吸收了漏感能量。

吸收回路在开关管截止时，以电能的方式存储漏感能量；在开关管导通时，存储在吸收电容中的电能被开关管以热能的形式释放掉，因此本吸收电路的增加会在一定程度上影响到开关电源的效率，并引起开关管的发热。在实际的使用中，吸收电容容值不易过大，否则容易造成开关管发热问题。

2 吸收电容对反激式LED电源EMI的抑制作用

LED驱动电源的CCC认证和CQC认证需要遵循标准GB 17743-2007《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》[4]和GB 17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）》[5]。根据标准GB 17743，需对本样品进行电源端子骚扰电压、9 k～30 MHz辐射电磁骚扰、30～300 MHz辐射骚扰场强测试；根据标准GB 17625.1，需要对原样品（额定功率90 W）进行谐波电流测试。由于9 k～30 MHz辐射电磁骚扰测试和谐波电流测试相对容易满足标准要求，而且本样品也满足了以上两个测试项目的标准限值要求且余量较大。所以本文主要讨论吸收电容对产品电源端子骚扰电压测试和30～300 MHz辐射骚扰场强测试的影响。测试项目的具体限值参见标准，本文不再详细地给出。

本文对此款反激式LED驱动电源进行了以下几种试验。

2.1 原样品的电源端子骚扰电压和辐射骚扰场强测试结果

本文首先对原样品进行了电源端子骚扰电压测试和辐射骚扰场强测试，测试曲线分别为如图3、4所示。图中直线为限值。从图3可得，原样品在13.8 MHz处的骚扰最大，平均值最大超过限值3.5 dB，测试结果不合格。而辐射骚扰场强结果见图4，在102 MHz处的的骚扰最大，准峰值扫描结果刚好压在了限值线上，没有余量，测试结果不合格。140 MHz的准峰值扫描结果离限值只有1.7 dB的余量。

图3 原样品电源端子骚扰电压的测试结果

图4 原样品辐射骚扰场强的测试结果

2.2 并联200 pF吸收电容后的测试结果

在开关管漏极和源极两端并联200 pF小电容作为吸收电容，测试曲线如图5、6所示。电源端子骚扰电压测试结果:从图5和图3对比来看，在7～30 MHz频段，测试曲线有比较大的变化，但是骚扰值有了很明显的降低，原来图3中的13.8 MHz频点超标处，此次测试结果有9 dB以上的余量。30～300 MHz辐射骚扰场强测试结果:在102 MHz处的骚扰最大，准峰值扫描结果有3 dB的余量，140 MHz的准峰值扫描结果离限值有1.9 dB的余量。

图5 并联200 pF吸收电容后电源端子骚扰电压的测试结果

图6 并联200 pF吸收电容后辐射骚扰场强的测试结果

2.3 并联300 pF吸收电容后的测试结果

在开关管漏极和源极并联300 pF小电容作为吸收电容，测试曲线如图7、8所示。从图7和图5的对比结果可以看出，电源端子骚扰电压结果有了进一步的改善，有了14 dB以上的余量。从图8和图6对比结果可以看出，辐射骚扰场强结果也有了改善。在102 MHz处的骚扰最大，准峰值扫描结果有了4.2 dB的余量。而140 MHz处的准峰值扫描结果离限值有了4.5 dB的余量。

图7 并联300pF吸收电容后电源端子骚扰电压的测试结果

图8 并联300 pF吸收电容后辐射骚扰场强的测试结果

3 结束语

本文以一款反激式LED驱动电源为例，首先，介绍了反激式LED驱动电源工作原理和存在的EMI问题；然后，通过在开关管的漏源极两端并联一定容量的吸收电容，对样品EMI（主要针对电源端子骚扰电压和30～300 MHz辐射骚扰场强测试）进行抑制。从本案例的测试结果来看，对原来测试不合格的样品，并联吸收电容后，对产品的电源端子骚扰电压起到了明显的抑制作用，对30～300 MHz辐射骚扰也起到了一定的抑制效果，最终测试合格，从而为产品设计工程师和整改工程师提供参考。既有效地抑制了产品的EMI，又不会给厂商带来过大的成本压力。

参考文献：

[1]张文嘉，钟海峰，王剑斌.MOSFET的驱动及吸收电路[J].电脑知识与技术，2009，5（21）:5922，5940.

[2]陈洋，段哲民.反激式变换器拓扑的LED电源设计[J].电子设计工程，2014，22（2）:95-97.

[3]帅孟奇.LED驱动电源及其控制技术的研究与应用[D].广州:华南理工大学，2011.

[4]GB 17743-2007，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[S].

[5]GB 17625.1-2012，电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）[S].

Case Study on Suppression of Absorption Capacitor to
EMI of LED Power Supply

LAI Lin-xiang
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

From the experience of LED power supply certification，we found that the disturbance voltage at mains terminals and the 30-300MHz radiated disturbance of EMI test items were not easy to be qualified，and the rectification would increase the power supply's cost.In this paper，with a single-ended flyback LED power supply as an example，we firstly introduced the singleended flyback power supply principle.Secondly，a small snubber capacitance was added between the drain and source of MOSFET to restrain the power supply's EMI level.By comparing the test results，it is found that the power supply，which was failed previously，met the standard requirements after adding the snubber capacitance.This method is simple and lowcost，and provides a reference for the rectification.

LED；snubber capacitance；disturbance voltage；mains terminals；radiated disturbance

TN 03；TN 312+.8

：A

：1672-5468（2014）04-0054-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.012

2014-02-27

2014-07-07

赖淋香（1985-）女，福建龙岩人，工业和信息化部电子第五研究所赛宝质量安全检测中心助理工程师，硕士，从事电磁兼容检测与认证工作。