60 W RGB LED電源的EMI濾波器設計與仿真*

張明準，秦會斌，胡艷蕊

（杭州電子科技大學，杭州310018）

60 W RGB LED電源的EMI濾波器設計與仿真*

張明準*，秦會斌，胡艷蕊

（杭州電子科技大學，杭州310018）

介紹了一款60 W紅，綠，藍發光二極管（Red，Green and Blue Light-Emitting Diode，RGB LED）驅動電源電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference）產生的機理及危害，設計了一種結構簡單的低成本抗傳導EMI濾波電路。通過PSpice軟件建模，對所設計的濾波電路進行仿真實驗。所設計的EMI濾波電路使用在RGB LED電源樣機上，對樣機進行了傳導EMI測試，測試結果驗證了所設計的EMI濾波電路具有25 dB的裕量。

電磁干擾；濾波器；PSpice仿真；LED驅動

發光二極管LED（Light Emitting Diode）作為照明光源，因為其光效的提升，長使用壽命以及不含有害重金屬汞等優點而得到越來越廣泛的應用，如廣告招牌燈，路燈，汽車尾燈，室內照明燈。大功率照明LED的使用，需要低成本，高可靠性的LED驅動電源。當驅動電源的功率高于25 W時，EMC標準強制要求驅動電源必須滿足標準的相關條款對電磁兼容的要求，電磁兼容中的傳導電磁干擾（EMI）就是其中一項。文獻［1］中EMI解決方案是用到2顆共模電感和電容構成，這樣的結構很容易實現所需要達到的設計目標，但對LED驅動電源來說，低成本和小體積是共同的目標，兩顆磁性元件不利于成本的降低和體積的減小。文獻［2-3］所提出的解決EMI問題的方案是頻率抖動技術或是適用于小功率的特殊電路結構，這些技術的使用都很好的解決了電磁干擾的問題，但因為大功率LED驅動電源的電路更加復雜，使用的半導體開關器件更多，EMI的問題更加嚴重，這些技術不適于推廣到更為廣泛的大功率的LED驅動電源中［4］。基于以上的考慮，所設計的60 W RGB LED驅動電源中，EMI濾波器的采取了共模（Common Mode）電感和差模 DM（Differential Mode）電感結合的方案，利用一個共模抑制電感器的漏感組成差模抑制電感器，這種結構節省了磁性元件的個數，又能滿足設計要求，具有高性價比并易于推廣。本文主要闡述此EMI濾波器的設計過程，建模仿真及對原型機的傳導EMI進行測試與分析［5］。

1　原理與設計

1.1LED驅動電源傳導EMI產生機理

所設計的RGB LED驅動電源的功能框圖如圖1所示。其中功率因素校正（PFC）電路的功率晶體管，諧振半橋電路的功率晶體管和諧振半橋輸出的整流二極管是開關電源型LED驅動電源的電磁干擾源。圖2是PFC電路的簡圖，漏極電壓波形和電感電流波形。

圖160　W RGB LED驅動電源框圖

圖2PFC電路和波形

圖2所示的電感電流波形斜率就是電流變化率di/dt，電流的變化會產生變化的磁場，向外輻射，電流變化率越大，磁場越強，電磁輻射干擾越嚴重。二極管D1和場效應晶體管Q1，交替導通工作，因為二極管的反向特性，導致電壓VDS發生極大的變化，即dv/ dt極大，這個電壓的變化會產生強的電場，通過導體或附近零件耦合出去，也產生強電磁干擾。諧振半橋和輸出整流電路的情況也類似，諧振半橋電路的場效應開關晶體管和輸出半導體整流二極管工作過程中因快速的開通和快速的關斷導致極大的電流變化率和電壓變化率，這就是電磁干擾的干擾［6］。

1.2EMI濾波電路設計

1.2.1共模濾波器設計

表1是60 W RGB LED驅動電源的設計參數。因為紅，綠，藍發光二極管的光通量和驅動電流之間的關系有區別，因此3路輸出電流設定值不同［7］。

表160　W LED驅動電源的參數

圖3是沒有EMI濾波電路的LED驅動電源測試EN55015標準的EMI傳導測試結果，從測試結果看，考慮10 dB的設計裕量，EMI濾波器在200 kHz處需要衰減22 dB才能滿足設計要求。

圖3　不加EMI濾波器時的EMI測試結果

根據表1，可以計算出電源的輸入阻抗為：

LED驅動電源中的PFC工作頻率為70 kHz，諧振半橋的工作頻率為35 kHz，EMI低通濾波器的轉折頻率需要大于10倍交流電源頻率。根據對以上的測試結果分析，即在200 kHz時需要衰減22 dB。圖4是所設計的二階共模濾波器的等效電路［8］。

圖4　二階共模濾波器等效電路圖

此濾波器的傳遞函數為：

其中，ω是角頻率；RL是共模噪聲負載電阻。

ζ系數的大小反應二階濾波器時域響應在轉折頻率處的增益大小不同，圖5顯示了他們之間的關系。因為二階濾波器在轉折頻率后每倍頻程衰減12 dB。因此在200 kHz處需要衰減22 dB的設計目標要求濾波器的轉折頻率由方程（3）可計算出為fcutoff=56.1 kHz。

RL通常選50Ω，為了在轉折頻率處不產生振蕩，選擇最小阻尼系數ζ為0.707。根據上面這些參數可以計算元件的值如下：

因為EMC標準規定的滿足漏電流要求的最大Y電容值為0.05 uF，為安全考慮，此設計中的Y電容選擇6.8 nF，因此需要選定最小值1.2 mH的電感值來設計濾波器。計算濾波器的實際轉折頻率為55.7 kHz，接近并小于56.1 kHz。實際阻尼系數為ζ=4.2，實際阻尼系數大于等于1都是可以接受的［9］。

圖5　不同阻尼系數的二階頻率響應

1.2.2差模濾波器設計

所設計的差模濾波器是П型差模濾波器［10，11］，其等效電路如圖6所示。

圖6　三階差模濾波器等效電路圖

上一節已經計算得到電源輸入阻抗 Rin為121.1Ω。因為三階濾波器在轉折頻率后每倍頻程衰減18 dB，因此在200 kHz處需要衰減22 dB的設計目標要求濾波器的轉折頻率fcutoffdm由方程（4）計算得到為85.72 kHz。

根據方程（5）計算電感值為0.226 mH：

根據方程（6）計算電容值為0.015 3 μF。

根據方程（5）、方程（6）的計算結果，選擇差模電感值為300 μH，電容值為0.2 μF是合理的。

1.2.3EMI濾波器整體結構

結合前面兩節的設計結果，得到完整的EMI濾波電路圖如圖7所示。

圖7　完整的EMI濾波器電路圖

其中，L1a和L1b是共模電感的兩個繞組，感值均為最小1.2 mH，L1a′和L1b′是共模電感的漏感，最小感值為150 μH。共模電感選擇鐵氧體EE20磁芯，雙線槽骨架。Y電容CY1和CY2均為6.8 nF，X電容CX1和CX2均為0.1 μF。此電路的特別之處就在于利用共模電感的漏感提供差模濾波器需要的差模感量，減少了磁性材料的使用，降低了成本并簡化了濾波器的結構。

2　仿真與實驗

2.1仿真

Cadence OrCAD的PSpice是電力電子領域用于仿真的軟件，其強大的功能體現在它豐富的模型庫和多樣的建模方式上。對于EMI濾波器電路來說，用PSpice建模的重點是共模電感和差模電感的模型方面，由于高頻干擾信號會受寄生參數的影響，模型需要將存在的寄生參數考慮進去［12］。差模電感使用線性電感模型；共模電感使用兩個線性電感模型并用線性磁芯模型來耦合，仿真原理圖如圖8所示。圖8中第1個虛線框內是50 μH/50 Ω電源線阻抗穩定網絡 LISN（Line Impedance Stabilizer Network），其在傳導電磁干擾EMI測試中具有如下作用：（1）使電網能提供一個50 Ω穩定阻抗，即待測設備端子與地之間具有一個穩定的阻抗；（2）LISN使待測試設備與公共電源之間的干擾信號隔離，使電網中的干擾進入不了待測試設備中，同時待測試設備中的干擾信號也進入不了電網中，而只能耦合到測試接收機中去；（3）利用LISN來耦合待測設備的干擾信號，相當于干擾信號獲取設備。因此，LISN在傳導EMI測試中具有非常重要的作用。

圖8　仿真使用的原理圖模型

圖8中第二個虛線框中是一個П型的差模濾波器，有線性電感模型L1，L2，X電容CX1，CX2組成，作用是衰減差模干擾信號。圖8中第三個虛線框中是共模濾波器，共模電感模型是由線性電感模型L3和L4經線性磁芯模型K1耦合后得到的，共模濾波器由共模電感模型和Y電容CY1，CY2組成，其作用是衰減共模干擾信號。另外，R8和C5是電源L線與地之間因差模和共模電感導致的高頻寄生參R9和C6是電源N線與地之間因差模和共模電感導致的高頻寄生參數［13］。V1是交流激勵源。設置好激勵源，共模電感，差模電感和線性磁芯耦合模型的參數后，就可以設置仿真參數并運行AC Sweep仿真，圖9便是運行仿真后得到的結果。這個曲線是輸出電壓比上輸入電壓后得到的EMI濾波器的傳遞函數，從傳遞函數的波形可以看出，此低通EMI濾波器的截止頻率為56 kHz左右，與前面的計算結果相一致。

圖9　PSpice仿真EMI濾波器的傳遞函數

在PSpice仿真結果中添加傳遞函數的波特圖，便可以得到圖10所示的仿真結果，從圖10可以看出，EMI濾波器在200 kHz的頻率處衰減24 dB左右，與前面設計目標相近。因此仿真的結果驗證了設計參數的正確。

圖10　PSpice仿真EMI濾波器的波特圖

2.2實驗

對帶有所設計的EMI濾波器電路的RGB LED驅動電源進行傳導 EMI測試驗證，按照標準EN55015進行測試，圖11是測試設備及待測的LED驅動電源連接安裝圖。圖12是傳導EMI測試結果。

圖11EMI測試安裝圖

圖12帶EMI濾波器時EMI測試結果

圖12的測試結果滿足EN55015標準的要求，但存在不足的地方是24 MHz～28 MHz的高頻處的裕量不足，其原因有以下兩點：（1）所選擇的電容器自身等效串聯電阻及由線腳引起的等效串聯電感的存在，導致高頻阻抗變化；（2）RGB LED電源板上面集成了Wi-Fi模塊，高頻Wi-Fi信號接近EMI濾波器并將高頻干擾耦合到輸入線。這兩點都是可以通過其他方法來抑制，但不在本文討論的范圍之內。

3　結　論

本文通過對LED電源傳導電磁干擾的分析，設計了一種結構簡單的低成本電磁干擾低通濾波器，經過對所設計的濾波器電路參數的仿真，驗證了設計的合理性，對使用所設計的EMI濾波器的60 W RGB LED電源進行傳導EMI測試，測試結果進一步驗證了設計的有效性。測試結果同時也反映出20 MHz～30 MHz的高頻段裕量不足的問題，這是電源電路中引入高頻工作的Wi-Fi模塊等原因造成的，這一結果表明智能電源或家具等產品因引入高頻工作的通訊模塊而導致的電磁干擾問題需要引起注意。

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張明準（1983-），2006年于湖北工業大學獲得學士學位，現為杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所在讀碩士研究生，主要研究方向為開關電源技術和抗電磁干擾技術，zhangmingzhun@163.com；

秦會斌（1961-），1983年獲得山東大學學士學位，分別于1990年、1996年獲得電子科技大學碩士和博士學位，現為杭州電子科技大學教授，主要研究方向為新型電子器件的研發與應用、抗電磁干擾技術等，qhb@hdu.edu.cn。

DesignandSimulationforEMIFilterof 60W RGB LED PowerSupply*

ZHANG Mingzhun*，QIN Huibin，HU Yanrui
（Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The mechanism and hazard of EMI（Electromagnetic Interference，EMI）of a 60 W Red，Green，and Blue leds（Red，Green，and Blue Light-emitting Diode，RGB LED）power supply was introduced.A low cost EMI filter with simple structure was designed.A PSpice model of EMI filter was built，and parameters of EMI filter designed were simulated according to the PSpice model.The EMI filter was used in a prototype of RGB LED power supply，and EMI test result for LED power supply with EMI filter circuit verify the validity of proposed EMI filter.

EMI；filter；PSpice simulation；LED driver

TM925

A

1005-9490（2016）05-1204-05

項目來源：浙江省科技計劃項目（2015F0024）

2015-10-30修改日期：2015-11-19

EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.036