LED驱动前级EMI滤波保护电路的设计

倪新龙，冯金垣

（华南理工大学理学院，广东 广州 510640）

LED驱动前级EMI滤波保护电路的设计

倪新龙，冯金垣

（华南理工大学理学院，广东 广州 510640）

LED驱动电源离不开一个好的前级EMI滤波保护电路，它能为LED应用在苛刻的场合提供一个稳定可靠的保护。为了达到较好的滤波效果，使用Pspice仿真软件进行辅助设计，而且滤波器采用多级滤波的方式提高插入损耗。实验结果表明EMI滤波器对差模和共模干扰都有几十到上百分贝的插入损耗效果，同时电路对浪涌和过电流可以进行有效的保护。

EMI滤波；Pspice；插入损耗；浪涌；过电流

新一代照明光源LED要发挥其照明优势离不开好的驱动开关电源。开关电源(SMP)的效率高，因此广泛应用于工业设备。但是SMP产生较大的电磁干扰(EM I)噪声，因为开关电源是d?t/d和d?/dt 都很高的电力设备。前级EM I滤波器一方面减少电网干扰信号和电磁场环境的传导干扰，确保开关电源的稳定性和输出的高精度；另一方面也阻止电源所供电的设备和电源本身产生的干扰传导进入电网。

LED需要恒定的工作电流才能减少光衰，保证各个灯珠的亮度、色度的一致性，体现出超长寿命和高效均匀的照明优势。尤其在机场、铁路等大功率、高要求的照明场合，电磁环境相对复杂，照明稳定性和光源的寿命要求高，为了恒定驱动电源的输出电流，需要最大限度地减少电磁干扰，而最为关键的就是有一个高性能的EM I滤波电路。

1 前级EMI滤波保护电路

1.1 EM I滤波保护电路结构

传导干扰的频率分布，通常频率在10～100 kHz是差模干扰起主导作用，在0.1～1 MHz是差模与共模干扰联合作用，1～30MHz是共模干扰起主导作用。

因为插入损耗与滤波器的源阻抗和负载阻抗的特性和数值均有关系[1]，而不同的应用场合其源阻抗和负载阻抗各不相同，因此通常在源阻抗和负载阻抗极端失配情况下设计滤波器的结构。在未知源负阻抗的情况下，采用多级滤波结构可以有效改善阻抗严重失配条件下的EM I滤波特性。本设计采用如图1所示的滤波保护电路结构。其中EMI滤波器部分的共模与差模滤波等效电路分别如图2和图3所示。

图1 EMI滤波保护电路

图2 共模滤波等效电路

图3 差模滤波等效电路

1.2 元件参数的选取

如图1所示，在电网的接入端接上一个保险丝F1和一个负温度系数的温敏电阻RT1，保险丝的作用是电路出现短路或浪涌大电流时断开以保护后置电路，可以选择触发电流约为2A的2410SFV系列的保险丝。

负温度系数的温敏电阻的特性是温度较低时呈现较大的电阻值，随着温度的升高其阻值呈下降趋势，RT1的存在使得整个驱动电源有一个“软启动”的过程，这对减小元器件的应力有很大作用，并且如果温度过高使得RT1很低以至于电流增大时触发保险丝断开，从而避免高温下元器件的损坏。此设计中可以选择NTC-5D-9型号的温敏电阻。

压敏电阻提供给后续电路一个浪涌电压的控制，由于电网电压的不稳定以及各种自然环境条件的变化都可能给驱动电源带来巨大的浪涌电压，例如雷击产生的几千甚至几万伏以上的浪涌电压会对电路产生巨大威胁。压敏电阻(MOV)的特性是电压较低时流过的电流很小，呈“绝缘”状态，而当电压超过某临界值后电流随电压的增大会急速增大。压敏电阻的电流和端电压的关系可用式(1)表示：

本设计中选取R1的泄放电压为350 V，R2和R3的泄放电压为700 V。滤波电感和电容量的选择要根据插入损耗、体积、漏电流、电容的介质特性等因素选取。

通常把消除差模干扰的线间电容称为X电容(X-Caps)，把消除共模干扰的线对地的电容称为Y电容(Y-Caps)。常用的X电容由金属化薄膜和纸构成，而Y电容是专门的圆片陶瓷电容。薄膜电容的稳定性较好，且具有自恢复特性，陶瓷电容没有自恢复特性，专门用于任何情况下都不允许短路失效的场合。一般来说X电容和Y电容必须是安规电容，特别是Y电容。X、Y电容的基本安全要求如表1和表2[3]所示。

表1 X电容安全要求

表2 Y电容安全要求(IEC 60384-14)

1.2.1 电容的选择

X电容的选择：X电容的失效不会引起人员触电，一般容量取值相对较大。在允许范围内可通过更大的X电容来改善性能，但是不能使体积过于庞大。X电容的取值通常限制在0.01～0.22μF（偶尔可见到0.47μF）[4]。

Y电容的选择：Y电容连接在相线与地线之间，为了不超过相关安全标准限定的电流泄漏值，通常取值较小。为了避免电击发生，国际安规机构限制流入设备地的电流有效值最大为0.25、0.5、0.7或3.5mA（取决于设备类型和安装类别），其中0.5mA是默认的工业设计值。设漏电流为，并联Y电容流过的总电流为，等效漏电阻电流为，等效杂散电容电流

因此，6个Y电容只能选取每个是1 nF或者1.2 nF的容量。选用穿心电容（三端电容），两根相连引线与一根引线分别为电容器两个电极，使用时两根相连的引线串联在滤波电路中，另一端接滤波器回线。由于穿心电容外壳接地良好，几乎完全隔离了输出与输入线之间的耦合，且接地电感很小，滤波效果很好。

1.2.2 电感的选择

(1)共模扼流圈的选择。LED驱动电源属于开关电源，通常工作在20 kHz以上，产生的噪声通常在100 kHz～30MHz范围。最合适的低成本磁芯材料是铁氧体材料、非晶态、微晶材料等，虽然磁导率很高，但是价格较高，漏电容影响大，漏磁通也较大，容易引起饱和。环形磁芯比E型和U型磁芯成本低，散磁和漏磁通小，是EM I滤波器经常使用的磁芯结构。为减少寄生电容及输入输出间的耦合，绕制时应尽量采用单层线圈，起端与末端分开越远越好。

共模滤波电容受泄漏电流限制，但是共模滤波电感不受漏电流限制，取值一般较大。设电感的等效电阻为，电网频率为，工作电流为，电网频率下电感上的压降为：

然而在本设计当中，由于是大功率的驱动电源情况下，采用两个对称的单独差模电感以增强滤波的效果。通常采用损耗式铁粉芯，磁导率很低，因此差模电感的电感量较低，一般在几十至几百微亨。本设计通过Pspice仿真软件对d的取值进行扫描分析以确定合适的电感量取值。

2 EMI滤波特性测试分析

2.1 插入损耗的参数影响分析

滤波器的典型插入损耗按照源阻抗和负载阻抗在50/50 Ω条件下测试。频率30MHz以上再用电源噪声电压评价插入损耗与实际情况相差较大，因此世界上广泛认可EMI规范传导干扰最高测试频率为30 MHz，许多国际规范下限是150 kHz，某些通信规范需要测试到10 kHz。插入损耗是衡量EMI滤波效果的主要指标，常用的计算公式如下：

本设计的仿真都是在Pspice中用交流信号源作为噪声源，采用基本交流分析和参数扫描分析方法进行分析，由于噪声的幅值不改变插入损耗的曲线，所以本设计假定噪声源幅值为110 V，未接EM I滤波器的负载电压值为55 V，而且考虑实际情况下电感的等效并联电容和电容的等效串联电感的存在[5]，在此条件下计算出插入损耗曲线。

图4 不同d下的插入损耗结果

由图4可看出不同差模电感值对差模损耗和共模损耗的影响曲线存在一定的平移，但不存在随着差模电感值的变化而从低频到高频一直同方向的变化，总存在交叉点。综合考虑低频时的差模插损和高频时的共模插损以及电感的体积，选择差模电感d=110μH较为合适。

如前所述Y电容的值可能有两种，将两种可能的取值结果对比，图5为y=1.1、1.2 nF时的共模插入损耗。由图5可知选择y=1.2 nF更好。可见在漏电流允许的范围内，Y电容量越大则插入损耗越好。

图5 不同x下的共模插入损耗

图6 不同x下的差模插入损耗

2.2 插入损耗结果

通过以上参数分析，确定了参数的选取结果，最终的EM I滤波器插入损耗测试结果在所有X电容取值为0.22μF，所有Y电容的取值为1.2 nF，共模电感c取值为8mH，差模电感d取值为110μH的条件下测得，如图7所示。

最终插入损耗结果可以看出，EM I滤波器对于高频段的共模干扰和低频段的差模干扰都有几十甚至超过一百分贝的插入损耗，满足了设计要求。

3 结论

设计一个大功率LED驱动前级EM I滤波保护电路需要考虑到各方面的影响因素。为保护驱动不受过电流和浪涌电压的影响，需要根据实际应用情况选取合理参数的泄放和保护元件。为了实现滤波器的最大损耗，以及确保符合相关安全规定，同时还要考虑体积和成本等因素的影响，需要折中考虑元件参数的选择来得到最佳的设计效果。Pspice是一个功能完善的电子设计仿真软件，有效利用Pspice进行合理的设计可以取得事半功倍的效果。设计结果表明EM I滤波器具有理想的插入损耗。

图7 EM I滤波器的最终插入损耗结果

[1]ZHANG D B,CHEN D Y.Measurementof noise source impedance of off-line converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2000,15(5):820-825.

[2]何金良.电磁兼容概论[M].北京：科学出版社，2010：186-187.

[3]周洁敏.开关电源理论及设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012：396-397.

[4]Maniktala S.精通开关电源设计[M].王志强，译.北京：人民邮电出版社，2008：250-253.

[5]张振新，赵德祥.EM I滤波器插入损耗分析与仿真[J].EMC电磁兼容，2008(6)：97-99.

Design of front-stage EM Ifilter and protective circuit for LED driver

NIXin-long,FENG Jin-yuan

LED driver power can'twork very wellwithouta good front-stage EMIfilter and protection circuit,which can provide a stability and reliable protection for LED in tough conditions.In order to achieve good filtering effect,the use of simulation software Pspice aided the design,and the filter used multilevel filtering structure to geta better insertion loss effect.Experimental results show that the EMIfilter interference on DM and CM has dozens to hundreds of dB insertion loss effect,at the same time surge and over current can be effectively protected by the circuit.

EMIfilter;Pspice;insertion loss;surge;overcurrent

TM 923

A

1002-087 X(2014)05-0965-04

2013-10-18

倪新龙(1987—)，男，湖南省人，硕士研究生，主要研究方向为光电技术。