LED照明燈具的噪聲對策詳解

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的適用對象。在幾項限制標準中，尤其引人關(guān)注的是關(guān)于電磁噪聲強度的限制。目前市場(chǎng)上出現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(zhù)修訂版《電氣用品安全法》的施行，必須采取嚴格的噪聲對策。本文將根據LED照明的現狀，就LED照明的噪聲種類(lèi)、測評方法以及對策事例進(jìn)行分析。

起源于東日本大地震的供電不足問(wèn)題使得人們的節電意識迅速高漲，LED照明器具和采用LED背照燈的液晶電視等節能產(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(chǎng)商，新涉足廠(chǎng)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)正在迅速擴大。

與此同時(shí)，標準化及法規導入等旨在實(shí)現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》的適用對象之內。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 )引起電視和收音機的接收障礙。

白熾燈泡是內部沒(méi)有電源電路的電阻性負載，因此不存在這類(lèi)電磁噪聲問(wèn)題。但換成LED燈泡后問(wèn)題就凸現出來(lái)了。如果就這樣推進(jìn)LED照明的普及，家中會(huì )出現多處噪聲源。

因此在海外，LED照明器具與普通照明器具一樣，都要符合國際標準CISPR15（《電氣照明和類(lèi)似設備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測量方法》），各國均出臺了基于該標準的限制規定。

日本也將開(kāi)始啟用這種限制規定。從2012年7月開(kāi)始，LED燈泡將成為《電氣用品安全法》的適用對象。其中還包括關(guān)于噪聲強度的規定（預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(zhù)LED照明市場(chǎng)的擴大，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格，因此需要用最少的元件實(shí)施電磁噪聲對策。尤其重要的是噪聲對策元件的選擇。因此，本文將以L(fǎng)ED照明電源電路泄露的電磁噪聲種類(lèi)及其測量方法、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）標準中定義了兩種電磁噪聲的測量，分別是輻射到空中的“輻射噪聲”和流經(jīng)電源線(xiàn)的“傳導噪聲（噪聲端子電壓）”（圖1）。噪聲電流中同時(shí)存在“差模”和“共模”兩種模式的噪聲成分。差模噪聲是在信號線(xiàn)和地線(xiàn)之間產(chǎn)生的噪聲。而共模噪聲在是大地與信號線(xiàn)和大地與地線(xiàn)之間產(chǎn)生的噪聲，信號線(xiàn)和地線(xiàn)與大地之間的噪聲類(lèi)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(guān)測到的電磁噪聲示例

EMC規定中定義了輻射噪聲和傳導噪聲兩種電磁噪聲的測量，LED燈泡也不例外。有的LED燈泡產(chǎn)品的噪聲超過(guò)了CISPR15的規定值（準峰值：QP和平均值：AV）。

輻射噪聲的主要成分是共模噪聲（圖2（a））。這是因為，該噪聲的電流環(huán)路面積要遠遠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）

而在傳導噪聲中能觀(guān)測到差模和共模兩種成分（圖2（b））。如果是傳導噪聲，需要在掌握噪聲成分特點(diǎn)的基礎上，根據其特點(diǎn)采取對策。首先來(lái)介紹一下抑制傳導噪聲的方法。

區分電源的噪聲模式
　
傳導噪聲的測量，一般利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò )，針對電源線(xiàn)1（L1）和電源線(xiàn)2（L2）各自的電磁噪聲，測量準峰值*（QP值）和平均值（AV值，圖3（a））。利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò )雖然能測量各電源線(xiàn)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 )測量

在傳導噪聲的測量中，一般針對電源線(xiàn)1（L1）和電源線(xiàn)2（L2）各自的電磁噪聲，利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò )測量準峰值和平均值（a）。在該測量中，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(lèi)（b）。該電源網(wǎng)絡(luò )可根據噪聲模式（Sym：差模，ASym：共模）測量其頻率特性。

*準峰值：對電磁噪聲等進(jìn)行檢波時(shí)，用擴大了檢波器時(shí)間常數的檢波方式測量的值。是最大值和平均值之間的值。電磁噪聲的準峰值較大時(shí)，容易引起收音機接收障礙。與相同接收靈敏度的相關(guān)關(guān)系要比峰值強。

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(lèi)（圖3（b））。該電路網(wǎng)可以測量傳導噪聲中各噪聲模式的頻率特性。

這種頻率特性因產(chǎn)品類(lèi)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(lèi)變了，噪聲成分的構成也會(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

傳導噪聲的測量在屏蔽室內進(jìn)行。測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標準規定。兩種標準中規定，屏蔽室的基準面與被測物體的距離要保持在0.4m，連接人工電源網(wǎng)絡(luò )和被測物體的電線(xiàn)長(cháng)度為0.8m，被測物體設置在高0.8m的臺子上（圖5）。

圖5：傳導噪聲的測量在屏蔽室內進(jìn)行

本圖為傳導噪聲的測量情形。該測量的屏蔽室內進(jìn)行。具體的測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等規格規定。

此時(shí)，共模噪聲會(huì )通過(guò)屏蔽室內壁（金屬）與被測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）對象物，分別計算出了通過(guò)人工電源網(wǎng)絡(luò )觀(guān)察被測物體時(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種對象物進(jìn)行了電磁場(chǎng)解析模擬，計算出了從人工電源網(wǎng)絡(luò )觀(guān)察被測物體時(shí)的共模阻抗（a）。根據結果可知，形狀越大，屏蔽室基準面與被測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種對象物的結果可知，形狀越大，屏蔽室內壁與被測物體之間的分布電容越大。也就是說(shuō)，產(chǎn)品尺寸越大，共模路徑的阻抗越低，共模噪聲的電流越容易流動(dòng)，該噪聲成分就越容易變大。

下篇將根據上述傳導電磁干擾噪聲的特點(diǎn)，介紹其對策。

差模噪聲電流沿差動(dòng)方向流動(dòng)

傳導噪聲的對策分三種情況實(shí)施：①差模噪聲較大、共模噪聲較小時(shí)；②共模噪聲較大、差模噪聲較小時(shí)；③兩種噪聲都比較大時(shí)。

首先介紹一下①差模噪聲較大、共模噪聲較小時(shí)的對策。差模噪聲的電流在A(yíng)C電源線(xiàn)上沿差動(dòng)方向流動(dòng)。因此，無(wú)法在普通的共模扼流圈上衰減。這是因為，共模扼流圈對于同相方向（共模）的電流會(huì )產(chǎn)生電感，但對于差動(dòng)方向（差模）的電流幾乎不產(chǎn)生電感。

因此，作為差模噪聲的對策，一般采用差模扼流圈和接在A(yíng)C電源線(xiàn)兩端的電容器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“X電容”）。通過(guò)這兩個(gè)部件，在被測物體內形成使流經(jīng)AC電源線(xiàn)的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（圖7（a））。

圖7：利用差模扼流圈和X電容抑制電磁噪聲

為抑制差模噪聲，利用差模扼流圈和X電容，在產(chǎn)品內形成使流經(jīng)AC電源線(xiàn)的差模噪聲電流返回噪聲源的路徑（a）。如果是共模噪聲，一般使用Y電容來(lái)抑制噪聲，不過(guò)在照明產(chǎn)品的電源電路中，其效果不充分。因此通過(guò)在Y電容上追加共模扼流圈或僅利用共模扼流圈來(lái)抑制共模噪聲（b）。

利用差模扼流圈能提高AC電源線(xiàn)的阻抗，使噪聲電流不易流動(dòng)。然后在此基礎上，利用X電容降低AC電源線(xiàn)間的阻抗，使噪聲電流返回噪聲源。該方法可防止電磁噪聲傳導至產(chǎn)品以外。

扼流圈對策

接下來(lái)介紹②共模噪聲較大、差模噪聲較小時(shí)的噪聲抑制方法。在共模噪聲中，由于噪聲電流在A(yíng)C電源線(xiàn)上沿同相方向（共模）流動(dòng)，因此即使在A(yíng)C電源線(xiàn)兩端接入X電容也沒(méi)有作用。利用電容抑制噪聲時(shí)，采用引導噪聲電流流向大地的電容器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“Y電容”，圖7（b））。

不過(guò)，一般情況下利用Y電容降低共模噪聲的效果不明顯。因此，需要有效利用扼流圈。為提高AC電源線(xiàn)的阻抗、減少共模噪聲電流，將電感值較高的共模扼流圈或差模扼流圈接入電源的一次側。共模扼流圈針對流向同相方向的噪聲電流能獲得大阻抗，因此適用于共模噪聲對策。

利用混合扼流圈抑制噪聲

③差模噪聲和共模噪聲均比較大時(shí)，需要針對各類(lèi)型的噪聲分別采取對策，這樣會(huì )導致所需元件增加，是造成成本上升和阻礙小型化的因素。

這種情況下，同時(shí)擁有共模扼流圈和差模扼流圈兩種功能的“混合扼流圈”最為有效。
　　混合扼流圈與相同尺寸的共模扼流圈具備相同程度的共模阻抗，和更高的差模阻抗（圖8）?；旌隙罅魅€備有扁平形狀的品種，可根據產(chǎn)品尺寸選擇。

圖8：混合扼流圈具備較高的差模阻抗

混合扼流圈不但具備與相同尺寸的共模扼流圈相同程度的共模阻抗，還具有更高的差模阻抗。

LED照明器具的電磁噪聲對策，關(guān)鍵在于電子元件的配置

以上是抑制源于電源部的傳導噪聲的方法概要。接下來(lái)將介紹LED照明器具電源部抑制噪聲的實(shí)例。

在LED照明器具的電源部，需要采取噪聲對策的部分大致有三處，分別是電源一次側整流前和整流后，以及電源二次側。

本文將介紹針對噪聲模式最容易凸顯部件效果的一次電源側整流前部分的對策。該部分相當于上述AC電源線(xiàn)。

第一個(gè)要介紹的是LED吊燈的傳導噪聲對策。在探尋對策之前，必須正確測量傳導噪聲。

首先，只以X電容為對策元件，利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò )測量了LED吊燈的傳導噪聲。經(jīng)測量確認，在150k～10MHz的大頻帶范圍內產(chǎn)生了噪聲（圖9）。

圖9：LED吊燈的傳導噪聲對策示例

本圖為L(cháng)ED吊燈的傳導噪聲對策示例。從圖中可知，元件的種類(lèi)和配置不同，產(chǎn)生的傳導噪聲的頻率特性也會(huì )變化。因此，利用X電容和混合扼流圈，是最有效而且元件個(gè)數最少的對策。

接下來(lái)，改用Δ型人工電源網(wǎng)絡(luò )測量各噪聲模式。在大頻率范圍內發(fā)生了共模噪聲，而差模噪聲發(fā)生在1MHz左右的低頻帶范圍。也就是說(shuō)，LED吊燈的傳導噪聲混合了兩種噪聲模式。

作為噪聲水平較高的共模噪聲對策，①安裝了標準的共模扼流圈（3mH）。這樣做雖然共模噪聲大幅衰減，但差模噪聲并沒(méi)有衰減，因此低頻帶范圍的電磁噪聲依然高于規定值。

注意對策元件的相互作用

為抑制低頻帶的電磁噪聲，②追加了差模扼流圈（2.2mH）。這樣雖然降低了差模噪聲，但L1和L2的噪聲大小出現了差異。由于只在L1側追加了差模扼流圈，因此只有L1側的噪聲減小了。

為了修正這種不均衡，我們③試著(zhù)改變了X電容的位置。這樣一來(lái)，L1的噪聲增大了，L1和L2的噪聲大小變得基本一樣。但這并不能解決問(wèn)題。因此，作為消除不均衡的其他方法，我們④恢復了X電容的位置，在L2中追加了差模扼流圈（2.2mH）。也就是說(shuō)，在L1和L2中分別安裝了差模扼流圈。這次，不但L1和L2的噪聲大小基本相同了，而且全部大幅衰減。不過(guò)又出現了一個(gè)新問(wèn)題，那就是1MHz附近的共模噪聲增加了。

估計原因是，差模扼流圈的電感與共模扼流圈自身分布電容的串聯(lián)共振導致1MHz附近的共模阻抗降低了。

如上所述，元件間的相互作用有時(shí)會(huì )導致電磁噪聲增強。作為解決對策，有⑤采用混合扼流圈的方法。

通過(guò)采用混合型扼流圈，可獲得相當于采用一個(gè)共模扼流圈和兩個(gè)差模扼流圈的效果。另外，在抑制元件間相互作用的影響的同時(shí)，還可削減元件個(gè)數。

差模噪聲占一大半

接下來(lái)介紹一下LED燈泡的對策事例。與LED吊燈一樣，在探尋對策之前先來(lái)確認一下傳導噪聲的噪聲成分（圖10）。如上所述，LED燈泡由于尺寸較小，基本不會(huì )發(fā)生共模噪聲，發(fā)生的主要是差模噪聲。

圖10：LED燈泡的傳導噪聲對策示例

本圖為L(cháng)ED燈泡的傳導噪聲對策示例。通過(guò)在差模扼流圈外側配置X電容器，減小了L1和L2的傳導噪聲，其大小也基本相同。

與LED吊燈一樣，來(lái)驗證一下各元件抑制噪聲的效果。首先，①在L1中追加了差模扼流圈（3mH），將X電容配置在該線(xiàn)圈的外側，這樣L1和L2的噪聲都減小了。L1和L2的噪聲大小也基本相同。

對LED燈泡來(lái)說(shuō)，這就是有效的對策了。不過(guò)，我們又試著(zhù)②在L1和L2中分別配備了差模扼流圈，這樣一來(lái)，與LED吊燈一樣，1MHz頻率的共模噪聲增大了。估計是因為安裝兩個(gè)差模扼流圈后，共模路徑的電感和噪聲電流流過(guò)路徑的共模電容發(fā)生了串聯(lián)共振。

如上所述，抑制噪聲的效果會(huì )因噪聲電流流過(guò)路徑的電容和電感與噪聲對策元件之間的相互作用而大幅變化。

片式磁珠對策

LED燈泡將從2012年7月開(kāi)始成為《電氣用品安全法》的適用對象，因此本文還要介紹一下輻射噪聲的對策。此次，在差模扼流圈外側配置X電容的情況下，首先測量了LED燈泡的輻射噪聲（圖11）。結果顯示，在大頻帶范圍內都產(chǎn)生了輻射噪聲，尤其是在100M～200MHz頻帶，遠遠超過(guò)了CISPR15的規定值。

圖11：LED燈泡的輻射噪聲對策示例

LED燈泡的輻射噪聲對策采用片式鐵氧體磁珠。該磁珠的位置不同，輻射噪聲的抑制效果也不同。

在輻射噪聲對策方面，為抑制共模輻射噪聲，采用了片式鐵氧體磁珠。由于只在L1側安裝該磁珠無(wú)法降低輻射噪聲，因此①在L1和L2兩條電源線(xiàn)中都安裝了鐵氧體片式磁珠。這樣雖然降低了輻射噪聲，但仍然大于規定值。

因此，我們改變了片式鐵氧體磁珠的配置。具體而言，②將安裝于X電容外側的磁珠移動(dòng)到了X電容內側。由此進(jìn)一步降低了輻射噪聲，這次降到了規定值以下。也就是說(shuō)，抑制輻射噪聲的效果因X電容和片式鐵氧體磁珠的位置不同而有所不同。

最佳配置因燈泡而異

抑制輻射噪聲的最佳元件配置因LED燈泡而異。在其他LED燈泡中，盡管采取了獲得出色結果的圖11的②那樣的配置，即在X電容內側配置片式鐵氧體磁珠，但并未獲得同樣出色的效果。所以又將片式鐵氧體磁珠安裝到X電容外側，此時(shí)，輻射噪聲降到了規定值以下（圖12）。也就是說(shuō)，對于每一個(gè)LED燈泡而言，即便使用相同的噪聲對策元件，其效果也是不同的。

圖12：根據LED燈泡改變元件配置

不同的LED燈泡，抑制輻射噪聲的最佳元件配置不盡相同。例如，必須調整X電容和片式鐵氧體磁珠的位置關(guān)系。

所以，必須根據噪聲對策元件與其他元件的位置關(guān)系以及LED燈泡的性能參數，來(lái)改變噪聲對策元件的選擇和安裝位置等。在開(kāi)發(fā)現場(chǎng)需要反復確認噪聲對策元件的效果，然后根據確認結果改變元件的種類(lèi)和配置。因此，為提高元件配置自由度，提前考慮圖案設計也是減輕EMC對策負荷的方法。

此次連同EMC的基本內容一起，介紹了照明器具的傳導噪聲和輻射噪聲的對策。文中介紹的方法只是一部分。今后，為實(shí)現更出色的電磁噪聲對策，我們將繼續進(jìn)行各種對策元件的開(kāi)發(fā)以及對策方法的提案等。