讓LED燈符合EMC及電能質量標準要求
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引言
作為白熾燈的替換品，LED燈近年來才開始推出市場，但卻面臨著諸多難題。由于將LED功率驅動電路裝入標準燈殼具有難度，因此早期的一些LED燈并沒有內部濾波器，也就談不上符合 EMC 標準。而且，其中很多的LED燈都采用了低效能的電容降壓式電源，而不是開關式鎮流器。這種方法可造成AC市電電流不平衡，因而導致某些設備的電能質量問題。同時符合EMC法規和電能質量標準是非常重要的問題，必須引起重視。
本文將介紹一種基于LinkSwitch-TN系列小型SO-8封裝電源IC的電子鎮流器，該方案符合標準燈殼空間限制要求以及EN55022A EMI標準。
設計目標
本設計用于為一串額定電流為300 mA的三個HB LED(相當于10W的標準白熾燈)供電。在正常工作情況下，輸出電壓被串聯LED的正向壓降箝位在約9.5 VDC，但該電路必須達到12 VDC，以便為二極管的性能變化留出余地。其拓撲結構為開關式恒流離線式降壓穩壓器，能夠在整個85至265 VAC通用輸入范圍內和47至64 Hz的線電壓頻率下進行工作。其它設計目標包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。該設計可以集成到標準燈殼中(Edison螺口燈泡和卡口鹵素燈均可)，非常便于替換現有的燈泡。而且，還可以利用設計工具和應用程序輔助完成該設計，以盡可能縮短新的HB LED燈的上市時間。
EMI符合性考量
由于空間和成本限制，市場上有很多LED燈其設計并不符合傳導EMI規范。但本文中的設計利用了集成到PI的LinkSwitch-TN功率轉換IC中的頻率調制特性，因此可以使用體積更小的EMI濾波器。
方案細節
PI的LinkSwitch-TN LNK306DN集成功率轉換IC中含有一個完全集成的700 V功率MOSFET，因而無需外部電源器件。離線式非隔離降壓拓撲結構可以在連續導通模式下以66 KHz的最大頻率進行工作。該頻率采用4 kHz的峰峰值頻率抖動進行調制，可以簡化對EMI濾波器的設計要求。雖然本設計采用了降壓拓撲結構，但這種IC還可以配置為降壓-升壓轉換器。而非常關鍵的一點是，LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封裝，這對于此應用的結構設計而言是個很大的優勢。
轉換器和EMI濾波器的設計原理如圖1所示。根據電流檢測電阻器R8和R10之間的壓降，電流控制環路被設置為所需的恒定電流值。雖然標準設計支持的是300 mA的電流，但仍可以輕易適應最高360 mA的輸出電流。Q1和Q2可以放大檢測到的壓降，以便使用電阻較低的電流檢測電阻器來最大程度地降低功率耗散。EMI濾波器采用pi拓撲結構，并含有一個可熔阻燃電阻RF1，以用于過載保護。
圖1 轉換器與EMI濾波器電路
設計轉換器和EMI濾波器時只需要25個器件，完全不需要PCB和連接器件。在參考材料中可以找到有關該設計的完整元件列表。
該應用的電氣設計對于這款成熟的功率轉換IC而言，顯得相當陳舊。最大的挑戰是結構設計，特別是將轉換器和EMI濾波器都集成到標準燈殼的設計。然而，該設計正好能裝入Edison螺口燈座(E27)和鹵素燈卡口燈座(GU 10)。
早在設計之初，我們便清楚：如果圓形PCB大得能夠容納所有轉換器和EMI濾波器元件的話，它就無法裝入燈座中。因此我們決定將設計劃分為兩個圓形PCB，一個用于轉換器電路，另一個用于EMI濾波器。轉換器電路板的最終直徑為19.66 mm，而EMI濾波器的最終直徑則為16.91 mm。這些電路板然后進行疊加，并與離散布線互連完成裝配。
圖2 結構封裝挑戰
雖然該設計具有功能性，但仍存在傳導輻射問題。由于兩個PCB比較接近，開關電流會從轉換器電路板耦合到EMI濾波器電路板，從而降低EMI濾波器的性能。通過在這兩個電路板之間放置“屏蔽”PCB，這一問題便得以解決。而第三個電路板只是一層銅，并無電路。它被電氣連接到EMI濾波器負輸出端與轉換器負輸入端的接合處。這樣，總裝便由三個疊加在一起的圓形電路板組成。增加第三個電路板既簡單又節省成本，不但解決了耦合問題，還達到了EMI性能要求。
性能
本參考設計可滿足各種設計目標。如果采用120 VAC的標稱輸入電壓，電路效率將會超過62%。輸入電壓為220/240 VAC時，效率將超過56%。根據EN55022A限制，采用準峰值和平均讀數在輸入電壓為115 VAC和230 VAC時表現出傳導EMI特征。在最差條件下,當輸入電壓配置為230 VAC時，此電路可通過標準并有7 dB的電壓。當輸入電壓為115 VAC時，裕值更高。
圖3 在230 VAC最差情況下符合EN55022A標準
結語
盡管存在一定的物理性限制，但是，以具有成本效益的方式將高性能HB LED燈的電子鎮流器集成到標準燈殼中是完全有可能的，并仍可符合EMI法規和電能質量標準。此外，應用指南、設計工具以及新推出的LED照明應用站點都可以為設計提供廣泛的支持。
參考文獻：
1. Power Integrations，LinkSwitch-TN數據手冊，修訂版H，2007年2月
2. Power Integrations，RDR-131 工程報告，2007年1月
3. Power Integrations，AN-15 EMI與安全性，2005年4月
4. Power Integrations，LED照明應用站點，http://www.pow-erint.com/applications/ledlighting.htm
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