技術(shù)講座:LED燈泡的噪聲對(duì)策
修訂后的日本《電氣用品安全法》將從2012年7月開(kāi)始施行。經(jīng)過(guò)此次修訂,LED燈泡也成為了該法規(guī)的適用對(duì)象。在幾項(xiàng)限制標(biāo)準(zhǔn)中,尤其引人關(guān)注的是關(guān)于電磁噪聲強(qiáng)度的限制。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了與白熾燈泡和燈泡型熒光燈相比電磁噪聲較大的LED照明器具,隨著修訂版《電氣用品安全法》的施行,必須采取嚴(yán)格的噪聲對(duì)策。本文將根據(jù)LED照明的現(xiàn)狀,就LED照明的噪聲種類、測(cè)評(píng)方法以及對(duì)策事例進(jìn)行分析。
起源于東日本大地震的供電不足問(wèn)題使得人們的節(jié)電意識(shí)迅速高漲,LED照明器具和采用LED背照燈的液晶電視等節(jié)能產(chǎn)品正逐漸成為市場(chǎng)主流。LED照明器具方面,燈泡型、螢光管型、吊燈以及吸頂燈等已經(jīng)開(kāi)始投入市場(chǎng)。
其中LED燈泡方面,不僅是知名照明廠商,新涉足廠商的產(chǎn)品也開(kāi)始在家居用品店以低價(jià)銷(xiāo)售,LED燈泡市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大。
與此同時(shí),標(biāo)準(zhǔn)化及法規(guī)導(dǎo)入等旨在實(shí)現(xiàn)LED燈泡普及的環(huán)境也正在建立之中。此前,LED燈泡不在《電氣用品安全法》的適用對(duì)象之內(nèi)。因此,有些LED照明產(chǎn)品的電磁噪聲較大。這樣一來(lái),如果將路燈的燈具由汞燈換成LED燈泡,就會(huì)引起電視和收音機(jī)的接收障礙。
白熾燈泡是內(nèi)部沒(méi)有電源電路的電阻性負(fù)載,因此不存在這類電磁噪聲問(wèn)題。但換成LED燈泡后問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)了。如果就這樣推進(jìn)LED照明的普及,家中會(huì)出現(xiàn)多處噪聲源。
因此在海外,LED照明器具與普通照明器具一樣,都要符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CISPR15(《電氣照明和類似設(shè)備的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》),各國(guó)均出臺(tái)了基于該標(biāo)準(zhǔn)的限制規(guī)定。
日本也將開(kāi)始啟用這種限制規(guī)定。從2012年7月開(kāi)始,LED燈泡將成為《電氣用品安全法》的適用對(duì)象。其中還包括關(guān)于噪聲強(qiáng)度的規(guī)定(預(yù)定噪聲端子電壓的頻帶為526.5kHz~30MHz、噪聲功率的頻帶為30MHz~300MHz)。
無(wú)論《電氣用品安全法》是否施行,隨著LED照明市場(chǎng)的擴(kuò)大,與其他電子產(chǎn)品之間相互干擾的問(wèn)題也是無(wú)法避免的。
LED燈泡的電磁噪聲源是其電源電路。由于LED燈泡的電源部在尺寸方面限制較為嚴(yán)格,因此需要用最少的元件實(shí)施電磁噪聲對(duì)策。尤其重要的是噪聲對(duì)策元件的選擇。因此,本文將以LED照明電源電路泄露的電磁噪聲種類及其測(cè)量方法、以及能有效抑制電磁噪聲的元件選擇方法為中心進(jìn)行分析。
噪聲電流有兩種模式
一般情況下,EMC(電磁兼容性:electro-magnetic compatibility)標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種電磁噪聲的測(cè)量,分別是輻射到空中的“輻射噪聲”和流經(jīng)電源線的“傳導(dǎo)噪聲(噪聲端子電壓)”(圖1)。噪聲電流中同時(shí)存在“差?!焙汀肮材!眱煞N模式的噪聲成分。差模噪聲是在信號(hào)線和地線之間產(chǎn)生的噪聲。而共模噪聲在是大地與信號(hào)線和大地與地線之間產(chǎn)生的噪聲,信號(hào)線和地線與大地之間的噪聲類型相同,即具有相同的相位和相同的振幅。
圖1:在LED燈泡中觀測(cè)到的電磁噪聲示例
EMC規(guī)定中定義了輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲兩種電磁噪聲的測(cè)量,LED燈泡也不例外。有的LED燈泡產(chǎn)品的噪聲超過(guò)了CISPR15的規(guī)定值(準(zhǔn)峰值:QP和平均值:AV)。
輻射噪聲的主要成分是共模噪聲(圖2(a))。這是因?yàn)?,該噪聲的電流環(huán)路面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模噪聲的電流環(huán)路面積。
圖2:電磁噪聲存在兩種模式
電磁噪聲有差模和共模兩種模式。輻射噪聲中主要是共模成分(a)。而傳導(dǎo)噪聲中,差模和共模兩種成分混合傳播的情況較多(b)
而在傳導(dǎo)噪聲中能觀測(cè)到差模和共模兩種成分(圖2(b))。如果是傳導(dǎo)噪聲,需要在掌握噪聲成分特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)其特點(diǎn)采取對(duì)策。首先來(lái)介紹一下抑制傳導(dǎo)噪聲的方法。
區(qū)分電源的噪聲模式
傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量,一般利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò),針對(duì)電源線1(L1)和電源線2(L2)各自的電磁噪聲,測(cè)量準(zhǔn)峰值*(QP值)和平均值(AV值,圖3(a))。利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)雖然能測(cè)量各電源線與大地之間的噪聲電壓,但由于差模噪聲和共模噪聲二者合在一起,分不清哪種噪聲模式是主體。
圖3:利用V型和Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量
在傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量中,一般針對(duì)電源線1(L1)和電源線2(L2)各自的電磁噪聲,利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量準(zhǔn)峰值和平均值(a)。在該測(cè)量中,差模噪聲和共模噪聲合在一起,難以分辨哪種噪聲模式是主體。而如果利用Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò),便于分辨噪聲模式的種類(b)。該電源網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)噪聲模式(Sym:差模,ASym:共模)測(cè)量其頻率特性。
*準(zhǔn)峰值:對(duì)電磁噪聲等進(jìn)行檢波時(shí),用擴(kuò)大了檢波器時(shí)間常數(shù)的檢波方式測(cè)量的值。是最大值和平均值之間的值。電磁噪聲的準(zhǔn)峰值較大時(shí),容易引起收音機(jī)接收障礙。與相同接收靈敏度的相關(guān)關(guān)系要比峰值強(qiáng)。
但如果采用“Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò)”便可判斷噪聲模式的種類(圖3(b))。該電路網(wǎng)可以測(cè)量傳導(dǎo)噪聲中各噪聲模式的頻率特性。
這種頻率特性因產(chǎn)品類型而異。例如,LED燈泡、吊燈及大尺寸液晶電視之間的電磁噪聲頻率特性就有差別(圖4)。LED燈泡是以差模噪聲為主體,而LED吊燈是差模噪聲和共模噪聲混在一起。大尺寸液晶電視則以共模噪聲為主體。
圖4:噪聲成分因產(chǎn)品而異
電子產(chǎn)品的種類變了,噪聲成分的構(gòu)成也會(huì)變化。例如,LED燈泡主要是差模噪聲,LED吊燈中差模噪聲和共模噪聲混在一起(a,b)。而大尺寸液晶電視主要是共模噪聲(c)。
那么,為何不同產(chǎn)品的傳導(dǎo)噪聲噪聲成分會(huì)有特定的傾向?通過(guò)用電磁場(chǎng)分析模擬來(lái)分析這種傾向,就知道原因所在了。
噪聲模式取決于尺寸
傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。測(cè)量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。兩種標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,屏蔽室的基準(zhǔn)面與被測(cè)物體的距離要保持在0.4m,連接人工電源網(wǎng)絡(luò)和被測(cè)物體的電線長(zhǎng)度為0.8m,被測(cè)物體設(shè)置在高0.8m的臺(tái)子上(圖5)。
圖5:傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行
本圖為傳導(dǎo)噪聲的測(cè)量情形。該測(cè)量的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。具體的測(cè)量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等規(guī)格規(guī)定。
此時(shí),共模噪聲會(huì)通過(guò)屏蔽室內(nèi)壁(金屬)與被測(cè)物體之間的分布電容流出。我們將這種情況模型化,然后利用電磁場(chǎng)模擬,分析了被測(cè)物體的尺寸與共模噪聲易流出性(共模阻抗)之間的關(guān)系。
我們通過(guò)電磁場(chǎng)模擬分析了尺寸各異的4種(5×5×5cm3,10×10×10cm3,20×20×20cm3,100×80×20cm3)對(duì)象物,分別計(jì)算出了通過(guò)人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測(cè)物體時(shí)的阻抗(圖6)。
圖6:噪聲模式取決于產(chǎn)品尺寸
利用尺寸各異的4種對(duì)象物進(jìn)行了電磁場(chǎng)解析模擬,計(jì)算出了從人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測(cè)物體時(shí)的共模阻抗(a)。根據(jù)結(jié)果可知,形狀越大,屏蔽室基準(zhǔn)面與被測(cè)物體的分布電容越大,共模路徑的阻抗就越低(b)。另外,頻率越高,共模阻抗越低(c)。
圖6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及將該阻抗換算成分布電容的值。
從利用電磁場(chǎng)模擬分析4種對(duì)象物的結(jié)果可知,形狀
評(píng)論