LED灯泡的噪声对策（下）：部件的选择和配置最为关键
LED灯泡的噪声对策（下）：部件的选择和配置最为关键
佛山市照明灯具协会资讯中心 2012-03-05
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))。
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。
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)。
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。
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。
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。
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)
来源：技术在线