技术讲座：LED灯泡的噪声对策

关键词： LED灯泡 , 技术讲座 , 噪声

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2012-2-23 19:00:19 上传

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　　修订后的日本《电气用品安全法》将从2012年7月开始施行。经过此次修订，LED灯泡也成为了该法规的适用对象。在几项限制标准中，尤其引人关注的是关于电磁噪声强度的限制。目前市场上出现了与白炽灯泡和灯泡型荧光灯相比电磁噪声较大的LED照明器具，随着修订版《电气用品安全法》的施行，必须采取严格的噪声对策。本文将根据LED照明的现状，就LED照明的噪声种类、测评方法以及对策事例进行分析。
　　起源于东日本大地震的供电不足问题使得人们的节电意识迅速高涨，LED照明器具和采用LED背照灯的液晶电视等节能产品正逐渐成为市场主流。LED照明器具方面，灯泡型、萤光管型、吊灯以及吸顶灯等已经开始投入市场。
　　其中LED灯泡方面，不仅是知名照明厂商，新涉足厂商的产品也开始在家居用品店以低价销售，LED灯泡市场正在迅速扩大。
　　与此同时，标准化及法规导入等旨在实现LED灯泡普及的环境也正在建立之中。此前，LED灯泡不在《电气用品安全法》的适用对象之内。因此，有些LED照明产品的电磁噪声较大。这样一来，如果将路灯的灯具由汞灯换成LED灯泡，就会引起电视和收音机的接收障碍。
　　白炽灯泡是内部没有电源电路的电阻性负载，因此不存在这类电磁噪声问题。但换成LED灯泡后问题就凸现出来了。如果就这样推进LED照明的普及，家中会出现多处噪声源。
　　因此在海外，LED照明器具与普通照明器具一样，都要符合国际标准CISPR15（《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》），各国均出台了基于该标准的限制规定。
　　日本也将开始启用这种限制规定。从2012年7月开始，LED灯泡将成为《电气用品安全法》的适用对象。其中还包括关于噪声强度的规定（预定噪声端子电压的频带为526.5kHz～30MHz、噪声功率的频带为30MHz～300MHz）。
　　无论《电气用品安全法》是否施行，随着LED照明市场的扩大，与其他电子产品之间相互干扰的问题也是无法避免的。
　　LED灯泡的电磁噪声源是其电源电路。由于LED灯泡的电源部在尺寸方面限制较为严格，因此需要用最少的元件实施电磁噪声对策。尤其重要的是噪声对策元件的选择。因此，本文将以LED照明电源电路泄露的电磁噪声种类及其测量方法、以及能有效抑制电磁噪声的元件选择方法为中心进行分析。
　　噪声电流有两种模式
　　一般情况下，EMC（电磁兼容性：electro-magnetic compatibility）标准中定义了两种电磁噪声的测量，分别是辐射到空中的“辐射噪声”和流经电源线的“传导噪声（噪声端子电压）”（图1）。噪声电流中同时存在“差模”和“共模”两种模式的噪声成分。差模噪声是在信号线和地线之间产生的噪声。而共模噪声在是大地与信号线和大地与地线之间产生的噪声，信号线和地线与大地之间的噪声类型相同，即具有相同的相位和相同的振幅。

　　

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　　图1：在LED灯泡中观测到的电磁噪声示例

　　EMC规定中定义了辐射噪声和传导噪声两种电磁噪声的测量，LED灯泡也不例外。有的LED灯泡产品的噪声超过了CISPR15的规定值（准峰值：QP和平均值：AV）。
　　辐射噪声的主要成分是共模噪声（图2（a））。这是因为，该噪声的电流环路面积要远远大于差模噪声的电流环路面积。

　　

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　　图2：电磁噪声存在两种模式

　　电磁噪声有差模和共模两种模式。辐射噪声中主要是共模成分（a）。而传导噪声中，差模和共模两种成分混合传播的情况较多（b）
　　而在传导噪声中能观测到差模和共模两种成分（图2（b））。如果是传导噪声，需要在掌握噪声成分特点的基础上，根据其特点采取对策。首先来介绍一下抑制传导噪声的方法。
　　区分电源的噪声模式
　　传导噪声的测量，一般利用V型人工电源网络，针对电源线1（L1）和电源线2（L2）各自的电磁噪声，测量准峰值*（QP值）和平均值（AV值，图3（a））。利用V型人工电源网络虽然能测量各电源线与大地之间的噪声电压，但由于差模噪声和共模噪声二者合在一起，分不清哪种噪声模式是主体。

　　

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　　图3：利用V型和Δ型人工电源网络测量

　　在传导噪声的测量中，一般针对电源线1（L1）和电源线2（L2）各自的电磁噪声，利用V型人工电源网络测量准峰值和平均值（a）。在该测量中，差模噪声和共模噪声合在一起，难以分辨哪种噪声模式是主体。而如果利用Δ型人工电源网络，便于分辨噪声模式的种类（b）。该电源网络可根据噪声模式（Sym：差模，ASym：共模）测量其频率特性。
　　*准峰值：对电磁噪声等进行检波时，用扩大了检波器时间常数的检波方式测量的值。是最大值和平均值之间的值。电磁噪声的准峰值较大时，容易引起收音机接收障碍。与相同接收灵敏度的相关关系要比峰值强。
　　但如果采用“Δ型人工电源网络”便可判断噪声模式的种类（图3（b））。该电路网可以测量传导噪声中各噪声模式的频率特性。
　　这种频率特性因产品类型而异。例如，LED灯泡、吊灯及大尺寸液晶电视之间的电磁噪声频率特性就有差别（图4）。LED灯泡是以差模噪声为主体，而LED吊灯是差模噪声和共模噪声混在一起。大尺寸液晶电视则以共模噪声为主体。

　　

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　　图4：噪声成分因产品而异

　　电子产品的种类变了，噪声成分的构成也会变化。例如，LED灯泡主要是差模噪声，LED吊灯中差模噪声和共模噪声混在一起（a，b）。而大尺寸液晶电视主要是共模噪声（c）。
　　那么，为何不同产品的传导噪声噪声成分会有特定的倾向？通过用电磁场分析模拟来分析这种倾向，就知道原因所在了。
　　噪声模式取决于尺寸
　　传导噪声的测量在屏蔽室内进行。测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等标准规定。两种标准中规定，屏蔽室的基准面与被测物体的距离要保持在0.4m，连接人工电源网络和被测物体的电线长度为0.8m，被测物体设置在高0.8m的台子上（图5）。

　　

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　　图5：传导噪声的测量在屏蔽室内进行

　　本图为传导噪声的测量情形。该测量的屏蔽室内进行。具体的测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等规格规定。
　　此时，共模噪声会通过屏蔽室内壁（金属）与被测物体之间的分布电容流出。我们将这种情况模型化，然后利用电磁场模拟，分析了被测物体的尺寸与共模噪声易流出性（共模阻抗）之间的关系。
　　我们通过电磁场模拟分析了尺寸各异的4种（5×5×5cm3，10×10×10cm3，20×20×20cm3，100×80×20cm3）对象物，分别计算出了通过人工电源网络观察被测物体时的阻抗（图6）。

　　

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　　图6：噪声模式取决于产品尺寸

　　利用尺寸各异的4种对象物进行了电磁场解析模拟，计算出了从人工电源网络观察被测物体时的共模阻抗（a）。根据结果可知，形状越大，屏蔽室基准面与被测物体的分布电容越大，共模路径的阻抗就越低（b）。另外，频率越高，共模阻抗越低（c）。
　　图6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及将该阻抗换算成分布电容的值。
　　从利用电磁场模拟分析4种对象物的结果可知，形状越大，屏蔽室内壁与被测物体之间的分布电容越大。也就是说，产品尺寸越大，共模路径的阻抗越低，共模噪声的电流越容易流动，该噪声成分就越容易变大。
　　差模噪声电流沿差动方向流动
　　传导噪声的对策分三种情况实施：①差模噪声较大、共模噪声较小时；②共模噪声较大、差模噪声较小时；③两种噪声都比较大时。
　　首先介绍一下①差模噪声较大、共模噪声较小时的对策。差模噪声的电流在AC电源线上沿差动方向流动。因此，无法在普通的共模扼流圈上衰减。这是因为，共模扼流圈对于同相方向（共模）的电流会产生电感，但对于差动方向（差模）的电流几乎不产生电感。
　　因此，作为差模噪声的对策，一般采用差模扼流圈和接在AC电源线两端的电容器（以下简称“X电容”）。通过这两个部件，在被测物体内形成使流经AC电源线的差模噪声电流返回噪声源的路径（图7（a））。

　　

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　　图7：利用差模扼流圈和X电容抑制电磁噪声

　　为抑制差模噪声，利用差模扼流圈和X电容，在产品内形成使流经AC电源线的差模噪声电流返回噪声源的路径（a）。如果是共模噪声，一般使用Y电容来抑制噪声，不过在照明产品的电源电路中，其效果不充分。因此通过在Y电容上追加共模扼流圈或仅利用共模扼流圈来抑制共模噪声（b）。
　　利用差模扼流圈能提高AC电源线的阻抗，使噪声电流不易流动。然后在此基础上，利用X电容降低AC电源线间的阻抗，使噪声电流返回噪声源。该方法可防止电磁噪声传导至产品以外。
　　扼流圈对策
　　接下来介绍②共模噪声较大、差模噪声较小时的噪声抑制方法。在共模噪声中，由于噪声电流在AC电源线上沿同相方向（共模）流动，因此即使在AC电源线两端接入X电容也没有作用。利用电容抑制噪声时，采用引导噪声电流流向大地的电容器（以下简称“Y电容”，图7（b））。
　　不过，一般情况下利用Y电容降低共模噪声的效果不明显。因此，需要有效利用扼流圈。为提高AC电源线的阻抗、减少共模噪声电流，将电感值较高的共模扼流圈或差模扼流圈接入电源的一次侧。共模扼流圈针对流向同相方向的噪声电流能获得大阻抗，因此适用于共模噪声对策。
　　利用混合扼流圈抑制噪声
　　③差模噪声和共模噪声均比较大时，需要针对各类型的噪声分别采取对策，这样会导致所需元件增加，是造成成本上升和阻碍小型化的因素。
　　这种情况下，同时拥有共模扼流圈和差模扼流圈两种功能的“混合扼流圈”最为有效。
　　混合扼流圈与相同尺寸的共模扼流圈具备相同程度的共模阻抗，和更高的差模阻抗（图8）。混合扼流圈还备有扁平形状的品种，可根据产品尺寸选择。

　　

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　　图8：混合扼流圈具备较高的差模阻抗

　　混合扼流圈不但具备与相同尺寸的共模扼流圈相同程度的共模阻抗，还具有更高的差模阻抗。
　　LED照明器具的电磁噪声对策，关键在于电子元件的配置
　　以上是抑制源于电源部的传导噪声的方法概要。接下来将介绍LED照明器具电源部抑制噪声的实例。
　　在LED照明器具的电源部，需要采取噪声对策的部分大致有三处，分别是电源一次侧整流前和整流后，以及电源二次侧。
　　本文将介绍针对噪声模式最容易凸显部件效果的一次电源侧整流前部分的对策。该部分相当于上述AC电源线。
　　第一个要介绍的是LED吊灯的传导噪声对策。在探寻对策之前，必须正确测量传导噪声。
　　首先，只以X电容为对策元件，利用V型人工电源网络测量了LED吊灯的传导噪声。经测量确认，在150k～10MHz的大频带范围内产生了噪声（图9）。

　　

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　　图9：LED吊灯的传导噪声对策示例

　　本图为LED吊灯的传导噪声对策示例。从图中可知，元件的种类和配置不同，产生的传导噪声的频率特性也会变化。因此，利用X电容和混合扼流圈，是最有效而且元件个数最少的对策。
　　接下来，改用Δ型人工电源网络测量各噪声模式。在大频率范围内发生了共模噪声，而差模噪声发生在1MHz左右的低频带范围。也就是说，LED吊灯的传导噪声混合了两种噪声模式。
　　作为噪声水平较高的共模噪声对策，①安装了标准的共模扼流圈（3mH）。这样做虽然共模噪声大幅衰减，但差模噪声并没有衰减，因此低频带范围的电磁噪声依然高于规定值。
　　注意对策元件的相互作用
　　为抑制低频带的电磁噪声，②追加了差模扼流圈（2.2mH）。这样虽然降低了差模噪声，但L1和L2的噪声大小出现了差异。由于只在L1侧追加了差模扼流圈，因此只有L1侧的噪声减小了。
　　为了修正这种不均衡，我们③试着改变了X电容的位置。这样一来，L1的噪声增大了，L1和L2的噪声大小变得基本一样。但这并不能解决问题。因此，作为消除不均衡的其他方法，我们④恢复了X电容的位置，在L2中追加了差模扼流圈（2.2mH）。也就是说，在L1和L2中分别安装了差模扼流圈。这次，不但L1和L2的噪声大小基本相同了，而且全部大幅衰减。不过又出现了一个新问题，那就是1MHz附近的共模噪声增加了。
　　估计原因是，差模扼流圈的电感与共模扼流圈自身分布电容的串联共振导致1MHz附近的共模阻抗降低了。
　　如上所述，元件间的相互作用有时会导致电磁噪声增强。作为解决对策，有⑤采用混合扼流圈的方法。
　　通过采用混合型扼流圈，可获得相当于采用一个共模扼流圈和两个差模扼流圈的效果。另外，在抑制元件间相互作用的影响的同时，还可削减元件个数。
　　差模噪声占一大半
　　接下来介绍一下LED灯泡的对策事例。与LED吊灯一样，在探寻对策之前先来确认一下传导噪声的噪声成分（图10）。如上所述，LED灯泡由于尺寸较小，基本不会发生共模噪声，发生的主要是差模噪声。

　　

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　　图10：LED灯泡的传导噪声对策示例

　　本图为LED灯泡的传导噪声对策示例。通过在差模扼流圈外侧配置X电容器，减小了L1和L2的传导噪声，其大小也基本相同。
　　与LED吊灯一样，来验证一下各元件抑制噪声的效果。首先，①在L1中追加了差模扼流圈（3mH），将X电容配置在该线圈的外侧，这样L1和L2的噪声都减小了。L1和L2的噪声大小也基本相同。
　　对LED灯泡来说，这就是有效的对策了。不过，我们又试着②在L1和L2中分别配备了差模扼流圈，这样一来，与LED吊灯一样，1MHz频率的共模噪声增大了。估计是因为安装两个差模扼流圈后，共模路径的电感和噪声电流流过路径的共模电容发生了串联共振。
　　如上所述，抑制噪声的效果会因噪声电流流过路径的电容和电感与噪声对策元件之间的相互作用而大幅变化。
　　片式磁珠对策
　　LED灯泡将从2012年7月开始成为《电气用品安全法》的适用对象，因此本文还要介绍一下辐射噪声的对策。此次，在差模扼流圈外侧配置X电容的情况下，首先测量了LED灯泡的辐射噪声（图11）。结果显示，在大频带范围内都产生了辐射噪声，尤其是在100M～200MHz频带，远远超过了CISPR15的规定值。

　　

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　　图11：LED灯泡的辐射噪声对策示例

　　LED灯泡的辐射噪声对策采用片式铁氧体磁珠。该磁珠的位置不同，辐射噪声的抑制效果也不同。
　　在辐射噪声对策方面，为抑制共模辐射噪声，采用了片式铁氧体磁珠。由于只在L1侧安装该磁珠无法降低辐射噪声，因此①在L1和L2两条电源线中都安装了铁氧体片式磁珠。这样虽然降低了辐射噪声，但仍然大于规定值。
　　因此，我们改变了片式铁氧体磁珠的配置。具体而言，②将安装于X电容外侧的磁珠移动到了X电容内侧。由此进一步降低了辐射噪声，这次降到了规定值以下。也就是说，抑制辐射噪声的效果因X电容和片式铁氧体磁珠的位置不同而有所不同。
　　最佳配置因灯泡而异
　　抑制辐射噪声的最佳元件配置因LED灯泡而异。在其他LED灯泡中，尽管采取了获得出色结果的图11的②那样的配置，即在X电容内侧配置片式铁氧体磁珠，但并未获得同样出色的效果。所以又将片式铁氧体磁珠安装到X电容外侧，此时，辐射噪声降到了规定值以下（图12）。也就是说，对于每一个LED灯泡而言，即便使用相同的噪声对策元件，其效果也是不同的。

　　

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　　图12：根据LED灯泡改变元件配置

　　不同的LED灯泡，抑制辐射噪声的最佳元件配置不尽相同。例如，必须调整X电容和片式铁氧体磁珠的位置关系。
　　所以，必须根据噪声对策元件与其他元件的位置关系以及LED灯泡的性能参数，来改变噪声对策元件的选择和安装位置等。在开发现场需要反复确认噪声对策元件的效果，然后根据确认结果改变元件的种类和配置。因此，为提高元件配置自由度，提前考虑图案设计也是减轻EMC对策负荷的方法。
　　此次连同EMC的基本内容一起，介绍了照明器具的传导噪声和辐射噪声的对策。文中介绍的方法只是一部分。今后，为实现更出色的电磁噪声对策，我们将继续进行各种对策元件的开发以及对策方法的提案等。
   （全文完，特约撰稿人：中岛 克明：太阳诱电电子部件事业本部事业策划管理部；床波 诚：太阳诱电开发研究所EMC中心；井狩 英孝：太阳诱电电子部件事业本部销售策划部）