一文搞懂如何控制LED驱动器的EMI

在现代照明系统中，升压LED驱动器凭借其能将输入电压提升至适合LED工作电压的特性，被广泛应用于各类照明场景。然而，随着开关频率的不断提高以实现更高的效率和更小的尺寸，升压LED驱动器产生的电磁干扰(EMI)问题日益突出。EMI不仅会影响驱动器自身的性能和稳定性，还会对周围电子设备造成干扰，甚至违反相关电磁兼容(EMC)标准，因此，有效抑制升压LED驱动器的EMI成为亟待解决的难题。

升压LED驱动器产生EMI的根源在于其内部的高频开关动作。当开关器件(如MOSFET)导通和关断时，会产生快速变化的电压和电流波形。这些快速变化的信号包含丰富的高频谐波成分，通过传导和辐射两种方式传播出去。传导干扰通过电源线、信号线等导体传播，影响同一电网中的其他设备;辐射干扰则以电磁波的形式向周围空间辐射，干扰附近的无线通信设备和电子仪器。

从器件选型角度来看，选择低EMI的器件是抑制EMI的第一步。对于开关器件，应优先选择具有低寄生电容和低反向恢复电荷的MOSFET。寄生电容会导致开关过程中产生振荡，而反向恢复电荷会在开关关断时产生尖峰电流，这两者都会加剧EMI。例如，一些新型的超结MOSFET，通过优化器件结构，显著降低了寄生电容和反向恢复电荷，有效减少了开关过程中的电压和电流突变，从而降低EMI。同时，对于电感的选择也至关重要。电感的磁芯材料、尺寸和绕制方式都会影响其电磁特性。应选择低磁导率、低损耗的磁芯材料，如铁氧体磁芯，以减少磁芯的磁滞损耗和涡流损耗，降低磁辐射。此外，采用分布式气隙或分段绕制的电感，可以减少绕组间的寄生电容，降低高频下的电磁耦合，从而抑制EMI。

PCB设计在EMI抑制中起着关键作用。合理的布局布线能够有效减少信号的电磁辐射和相互干扰。首先，应将功率电路和控制电路进行物理隔离，避免功率电路中的大电流、高电压信号对控制电路造成干扰。功率器件和电感等高频器件应尽量靠近，以缩短电流回路，减小回路面积。因为回路面积越大，产生的电磁辐射越强。同时，在布局时要注意输入输出端口的位置，避免输入输出信号交叉，防止形成干扰路径。在布线方面，电源线和地线应尽可能加粗，以降低线路阻抗，减少电压降和电流波动。对于高频信号走线，应尽量缩短长度，并采用单点接地的方式，避免形成接地环路，产生共模干扰。此外，可以在PCB上设置屏蔽层，将敏感电路和高频电路进行屏蔽，减少电磁耦合。

滤波技术是抑制EMI的常用方法。对于传导干扰，可采用电磁干扰滤波器(EMI滤波器)进行抑制。EMI滤波器通常由电感、电容和电阻组成，其原理是通过对不同频率的信号呈现不同的阻抗特性，将高频干扰信号滤除，只允许低频有用信号通过。在升压LED驱动器中，一般会在输入端口和输出端口分别设置EMI滤波器。输入滤波器主要用于抑制从电网引入的干扰，同时防止驱动器产生的干扰反馈到电网;输出滤波器则用于抑制驱动器产生的干扰对LED负载的影响。对于辐射干扰，可采用屏蔽技术。屏蔽罩可以选用金属材料，如铜或铝，将整个升压LED驱动器进行屏蔽，阻止电磁波的辐射。但在使用屏蔽罩时，要注意屏蔽罩的接地问题，良好的接地能够确保屏蔽效果，否则屏蔽罩可能会成为新的辐射源。

缓冲电路也是抑制EMI的有效手段。在开关器件两端添加缓冲电路，可以有效抑制开关过程中产生的电压尖峰和电流突变。常见的缓冲电路有RCD缓冲电路和LC缓冲电路。RCD缓冲电路由电阻、电容和二极管组成，当开关关断时，电容吸收开关两端的电压尖峰，电阻消耗电容上的能量，二极管则起到隔离作用。LC缓冲电路则利用电感和电容的储能特性，对开关过程中的电压和电流进行平滑处理。通过合理设计缓冲电路的参数，可以将开关过程中的电压和电流变化率控制在较低水平，从而降低EMI。

接地设计是EMI抑制中容易被忽视但又非常重要的环节。不合理的接地设计会导致接地环路的产生，引入额外的干扰。在升压LED驱动器中，应采用单点接地的原则，将功率地、信号地和保护地分开设置，并在合适的位置单点连接。功率地主要用于连接功率器件和电感等大电流器件的接地端;信号地用于连接控制电路和传感器等小信号器件的接地端;保护地则用于连接金属外壳等保护装置。此外，接地平面应尽可能完整，避免出现缝隙和孔洞，以减少电磁泄漏。

在实际应用中，还可以通过优化控制算法来抑制EMI。采用软开关技术，如零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，可以使开关器件在电压或电流为零的时刻进行开关动作，从而减少开关过程中的损耗和电磁干扰。另外，采用扩频技术，将开关频率在一定范围内进行调制，使能量分散在更宽的频带上，降低特定频率点的干扰强度，满足EMC标准的要求。升压LED驱动器的EMI抑制是一项系统工程，需从器件选型、PCB设计、滤波屏蔽、缓冲电路、接地处理以及控制算法优化等多维度协同发力。只有将这些策略有机结合，精准把控每个环节的技术要点，才能有效降低高频干扰，确保升压LED驱动器在满足高效节能需求的同时，实现良好的电磁兼容性，为现代照明系统的稳定运行与可靠应用筑牢技术根基。

随着LED照明技术的快速发展，LED驱动电源的电磁干扰(EMI)问题日益成为行业关注的焦点。在这一背景下，棒型电感作为一种高效解决方案，正逐渐成为工程师们应对EMI挑战的优先选择元件。

如今，几乎所有照明应用都使用LED。LED在相对较短的时间内便已成为照明的首选。但在大多数应用中，仅凭LED本身还无法实现其功能。LED必须采用合适的电源才能工作。这样的驱动器电路自然应该尽可能高效以降低能耗，LED主要使用开关电源的原因正在于此。

无论什么类型的电源，都应当考虑电磁兼容性。在LED灯中尤其如此。随着时间推移，针对LED产生的干扰的各种测量、评估和记录标准已经确立。

不受控制的电磁干扰可能会带来严重后果。就在最近，我对此有了直观感触。我的电动车库开门器上的旧E27白炽灯泡烧坏了。将其更换为现代LED灯泡后，灯又亮起来了。但是，我再也无法使用遥控器打开车库门。因此，肯定是LED灯发出的电磁辐射对车库门的无线电电子设备造成了干扰。

开关电源产生的辐射一部分是传导发射，部分是辐射发射。因此，LED驱动器产生的电磁辐射既可以通过电源线传输，也可以磁耦合或容性耦合到相邻电路段中。这些辐射通常不会造成破坏，但可能导致相邻电路元件工作不正常。

因此，使所产生的辐射最小化是有意义的，但在这方面必须满足哪些要求?欧盟的所有电气电子产品都要求有CE标志。CE标志证明产品符合欧盟关于安全、健康和环境保护的规定。只有合规的设备才能在欧洲经济区内流通。世界其他地区，设定了其他与电磁辐射干扰相关的重要要求，例如UL、CSA等标准。

有许多专门涉及LED灯的安全性和电磁辐射的标准，其中一个主要标准是CISPR 11。CISPR代表国际无线电干扰特别委员会。还有许多其他基于CISPR标准的规定和法规，包括ISO、IEC、FCC、CENELEC、SAE等。

采取适当措施并使用外加的电源线滤波器，可以确定地减少传导发射。此类滤波器用于滤除共模或差模噪声。在这里，作用的频率范围通常低于30 MHz。但是，开发此类滤波器并非那么简单。滤波器通常针对特定频率范围进行优化。在其他频率范围，寄生效应以及其引起的器件特性变化可能会造成影响。例如，一个滤波器可以很好地降低100 kHz开关电源所产生的辐射。然而，电源通常会在很宽的频率范围内产生辐射，尤其是在10 MHz以上。在这种情况下，针对100 kHz优化的滤波器甚至可能由于寄生效应和谐振而增加辐射。

这种方式无法确定降低辐射发射。在这里，PCB走线及无源电路元件的寄生电感和电容的大小起着决定性的作用。通常频率在30 MHz以上，至相应标准中规定的上限时，降低这些辐射发射非常困难。它需要丰富的经验和背景知识。特别LED灯的驱动，辐射发射水平可能非常高。通常是驱动一串LED，此串联电路常常需要占用电路板上的大量空间。因此，其几何布局具有天线的特性，所产生的发射被特别有效地辐射出去。屏蔽电路复杂且昂贵，甚至因为光线无法穿过金属板屏蔽层，对LED甚至不能使用金属板屏蔽。因此，解决之道在于限制所产生的辐射发射量。

EMI问题的行业痛点

LED驱动电源在工作过程中会产生高频开关噪声，这些噪声通过传导和辐射两种方式形成电磁干扰，不仅影响周边电子设备的正常工作，还可能导致产品无法通过严格的EMC认证测试。传统解决方案往往需要复杂的滤波电路和屏蔽设计，既增加了成本，又影响了电源的整体效率。

棒型电感的独特优势

棒型电感凭借其特殊的结构设计，在抑制EMI方面展现出明显优势：

高频噪声抑制能力强：棒型电感具有优异的频率特性，能有效滤除高频开关噪声，降低传导干扰。

磁泄漏少：独特的磁路设计减少了磁场泄漏，从而降低了辐射干扰水平。

温度稳定性好：即使在高温工作环境下，也能保持稳定的滤波性能，确保LED驱动电源长期可靠运行。

空间利用率高：紧凑的棒型结构节省了PCB空间，特别适合高密度设计的LED驱动电源。

实际应用效果验证

多家LED照明厂商的实际测试数据显示，采用棒型电感后：

传导干扰平均降低8-12dB

辐射干扰改善明显

电源效率提升2-3%

产品一次性通过EMC认证率大幅提高

技术发展趋势

未来，随着LED驱动电源向高频化、小型化方向发展，棒型电感技术也将持续创新：

更高饱和电流密度的材料应用

更优化的绕组工艺

集成化设计

智能化EMI抑制方案