Сегодня почти во всех осветительных приборах используются светодиоды. За относительно короткое время они стали предпочтительным выбором освещения. Однако в большинстве случаев светодиод не может выполнять свою функцию сам по себе. Светодиоды должны работать от подходящего источника питания. Такая схема драйвера, естественно, должна быть максимально эффективной для снижения энергопотребления, поэтому для этой цели в основном используются импульсные источники питания.
Для всех источников питания, независимо от типа, следует учитывать электромагнитную совместимость (ЭМС). Особенно это касается светодиодного освещения. Со временем были установлены различные стандарты измерения, оценки и документирования помех, создаваемых светодиодными лампами.
Неконтролируемые электромагнитные помехи (EMI) могут иметь серьезные последствия. Один случай из жизни. Перегорела старая лампа накаливания E27 на электромеханическом механизме открывания ворот гаража. После замены ее на современную светодиодную лампочку, свет снова заработал, но дверь гаража перестала открываться с помощью пульта дистанционного управления. Таким образом, экспериментально было доказано, что излучение светодиода может вызывать помехи в радиоэлектронике гаражных ворот.
Излучения, генерируемые импульсным источником питания, частично являются проводящими, а частично излучаемыми. Таким образом, электромагнитное излучение от драйвера светодиода может передаваться через линии электропитания (высшие гармоники), а также посредством магнитной или емкостной связи в соседние сегменты схемы. Эти помехи, как правило, не критичны, но могут привести к неправильному функционированию соседних компонентов контура.
Соответствие требованиям стандартов
Таким образом, имеет смысл минимизировать генерируемые помехи, но какие требования должны быть соблюдены в этом отношении? Все электрические и электронные продукты в Европейском Союзе требуют маркировки CE. Знак CE подтверждает, что продукт соответствует правилам ЕС по безопасности, охране здоровья и окружающей среды. В результате разрешена транспортировка таких совместимых устройств в пределах Европейской экономической зоны. В других частях света существуют другие важные требования, касающиеся электромагнитного излучения. Примеры включают UL, CSA и другие.
Многочисленные стандарты конкретно касаются безопасности светодиодных ламп и генерации помех от них. Один из самых важных — CISPR 11. CISPR означает Международный специальный комитет по радиопомехам. Многие другие правила и нормы, включая ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE и другие, основаны на стандартах CISPR.
Кондуктивные помехи можно снизить предсказуемым образом с помощью соответствующих мер с использованием дополнительных сетевых фильтров. Данные фильтры предназначены для устранения синфазного или дифференциального шума. Частотный диапазон, который обычно имеет значение, ниже 30 МГц.
Коэффициент фильтрации
Однако разработать фильтры не так-то просто. Фильтр обычно оптимизируется для определенного частотного диапазона. В других диапазонах частот паразитные эффекты и связанные с этим изменения в поведении используемых компонентов могут вызвать проблемы. Например, фильтр может очень хорошо снизить высшие гармоники, генерируемые импульсным источником питания на частоте 100 кГц. Тем не менее, источники питания обычно генерируют излучения в широком диапазоне частот, особенно выше 10 МГц. Здесь фильтр, оптимизированный для 100 кГц, может даже увеличить влияние помех за счет паразитных эффектов и резонансов.
Излучаемые таким образом выбросы невозможно уменьшить предсказуемо. Здесь решающую роль играет энергосодержание паразитных индуктивностей и емкостей дорожек печатной платы, а также пассивных компонентов схемы. Диапазон частот обычно превышает 30 МГц до верхнего предела, установленного в соответствующих стандартах. Снижение этих излучаемых выбросов очень сложно — это требует большого опыта и базовых знаний электротехники и физики.
Это особенно характерно для светодиодных ламп, поскольку уровень излучаемых выбросов может быть чрезвычайно высоким. Обычно приводится в действие цепочка светодиодов. Такая последовательная схема часто требует большого количества места на плате. Таким образом, геометрическое расположение имеет свойства антенны, и генерируемые помехи излучаются особенно «эффективно». Экранирование электрических цепей является сложным, дорогостоящим и, в случае светодиодов, даже частично невозможным, поскольку желаемый свет не может проходить через экран из листового металла. Таким образом, решение заключается в создании лишь небольшого количества излучаемых выбросов.
При разработке светодиодных ламп с блоком питания учитывайте следующие возможности в отношении электромагнитных помех:
- Добавление фильтров на все входы и выходы источника питания без реального понимания конкретных выбросов. Обычно это приводит к высоким затратам на компоненты с завышенными габаритами и более высоким производственным затратам.
- Повторное использование проверенной концепции фильтра без необходимости каждый раз настраивать фильтр. Здесь также могут возникнуть более высокие затраты на компоненты, а конструкция фильтра может быть неоптимальной.
- Привлечение внештатного специалиста для разработки конструкции фильтра. Для этого внештатный эксперт также должен быть доступен в нужное время. Это также приводит к дополнительным расходам.
- Выбор ИС импульсного регулятора, которые уже разработаны с учетом минимальных выбросов и оптимального поведения по электромагнитным помехам (ЭМП). В этом случае требуется минимальная фильтрация или ее отсутствие.
Светодиодный драйвер
Большинство светодиодных драйверов — это boost (повышающие) преобразователи. На рисунке ниже показана принципиальная электрическая схема преобразователя этого типа. Boost преобразователи обычно имеют более низкую кондуктивную эмиссию на входе. Входные токи не пульсируют (синяя токовая петля). На выходе, однако, наблюдаются очень высокие выбросы, поскольку импульсные токи протекают через обратный диод (красная токовая петля). Во время включения, то есть когда коммутатор, соединенный с землей, включен, индуктор заряжается, и через обратный диод не протекает ток. Полная энергия для питания нагрузки в этом временном интервале поступает от выходного конденсатора.
На рисунке ток во время работы показан синим цветом, а ток во время отключения показан зеленым. Все пути, по которым протекание тока изменяется за очень короткое время или время переключения, показаны красным на рисунке выше. Пути меняют свое состояние с протекания тока на полное его отсутствие всего за несколько наносекунд. Они являются критическими путями и должны быть как можно меньше и компактнее, чтобы уменьшить генерируемые электромагнитные помехи.
В последнее время стали доступны интегральные схемы (ИС) с импульсным регулятором, которые генерируют гораздо более низкие излучаемые выбросы благодаря инновациям. Критические пути проложены настолько симметрично, что генерируемые магнитные поля в значительной степени компенсируют друг друга из-за разных направлений тока.
На рисунке ниже показано симметричное расположение данной топологии. Магнитное поле, создаваемое в верхней красной петле, имеет ту же величину, что и поле в нижней красной петле, но протекает в противоположном направлении. Это дает эффект подавления поля. В Analog Devices эта технология продается под названием Silent Switcher (бесшумный коммутатор). В дополнение к этому нововведению, значительно уменьшена паразитная индуктивность во всех критических сегментах линии, что значительно снижает излучаемые поля.
Топология бесшумного коммутатора (silent-switcher) использует запатентованную схему силовых транзисторов для достижения эффекта магнитной компенсации. Длина дорожки между силовыми транзисторами и выходными конденсаторами повышающего преобразователя (горячего контура) определяет индуктивность, связанную с этим магнитным полем.
В технологии Silent Switcher 2 длина пути тока существенно сокращается. Это достигается с помощью технологии флип-чипа (flip-chip) или монтаж методом перевёрнутого чипа. Здесь кремний в интегральной схеме импульсного регулятора соединен с корпусом ИС не соединительными проводами, а скорее с помощью медных опор. Опоры имеют гораздо меньшую индуктивность. Следовательно, при той же скорости переключения тока имеется гораздо меньшее смещение напряжения и, как следствие, более низкий уровень генерируемых электромагнитных выбросов. В свою очередь, можно значительно снизить электромагнитные помехи, используя оптимизированные микросхемы драйверов светодиодов. В некоторых случаях можно даже оставаться в определенных пределах допустимого уровня электромагнитных помех без использования фильтров.
Пример схемы
Практическая схема с очень низким уровнем шума показана на рисунке ниже. Здесь драйвер светодиода LT3922-1 работает в цепи повышения напряжения. Цепочка из 10 светодиодов с током 333 мА питается с входным напряжением от 8 до 27 В. Для этого переключение выполняется с частотой 2 МГц, и генерируемые излучения минимальны.
На рисунке ниже показаны средние генерируемые помехи схемы с рисунка выше. Синие линии показывают соответствующие ограничения из спецификации CISPR 25. Как видно, эта спецификация легко выполняется.
Драйвер светодиода, такой как LT3922-1, который разработан с низким уровнем помех, часто также предлагает возможность активации функции частотной модуляции с расширенным спектром (SSFM). Это может не уменьшить реальные генерируемые гармоники, но распространит излучения в более широком диапазоне частот. Благодаря этому можно получить лучшие результаты при измерениях для отдельных стандартов ЭМП.
LT3922-1 предлагает такую функцию между соответственно установленной частотой переключения и 125% от этого значения. Расширенный спектр также может иметь очень значительный эффект в диапазонах VHV и UHV, уменьшая излучение любой заданной частоты ниже уровня, который может повлиять на радиосвязь.
Как и в случае любого импульсного регулятора, для драйверов светодиодов очень важна компоновка платы. Современные инновации, такие как топология бесшумного переключателя (коммутатора), помогают значительно улучшить характеристики электромагнитной совместимости, но все же важно избегать ошибок при компоновке печатной платы. Правильное размещение критически важных компонентов, которые проводят быстро коммутируемые токи, особенно важно для минимизации излучаемых помех. В эти пути следует включать как можно меньшую паразитную индуктивность. Токовые петли также следует проектировать как можно компактнее.
Некоторые современные драйверы светодиодов предназначены для минимизации электромагнитных помех. Для этого они используют, в том числе и ключевые инновации в области импульсных регуляторов, такие как топология бесшумного переключателя. При проектировании с этими ИС требуется относительно мало усилий для соблюдения пределов электромагнитных помех.
