LED灯泡的噪声对策：噪声电流有两种模式

修订后的日本《电气用品安全法》将从2012年7月开始施行。经过此次修订，LED灯泡也成为了该法规的适用对象。在几项限制标准中，尤其引人关注的是关于电磁噪声强度的限制。目前市场上出现了与白炽灯泡和灯泡型荧光灯相比电磁噪声较大的LED照明器具，随着修订版《电气用品安全法》的施行，必须采取严格的噪声对策。本文将根据LED照明的现状，就LED照明的噪声种类、测评方法以及对策事例进行分析。

起源于东日本大地震的供电不足问题使得人们的节电意识迅速高涨，LED照明器具和采用LED背照灯的液晶电视等节能产品正逐渐成为市场主流。LED照明器具方面，灯泡型、萤光管型、吊灯以及吸顶灯等已经开始投入市场。

其中LED灯泡方面，不仅是知名照明厂商，新涉足厂商的产品也开始在家居用品店以低价销售，LED灯泡市场正在迅速扩大。

与此同时，标准化及法规导入等旨在实现LED灯泡普及的环境也正在建立之中。此前，LED灯泡不在《电气用品安全法》的适用对象之内。因此，有些LED照明产品的电磁噪声较大。这样一来，如果将路灯的灯具由汞灯换成LED灯泡，就会引起电视和收音机的接收障碍。

白炽灯泡是内部没有电源电路的电阻性负载，因此不存在这类电磁噪声问题。但换成LED灯泡后问题就凸现出来了。如果就这样推进LED照明的普及，家中会出现多处噪声源。

因此在海外，LED照明器具与普通照明器具一样，都要符合国际标准CISPR15（《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》），各国均出台了基于该标准的限制规定。

日本也将开始启用这种限制规定。从2012年7月开始，LED灯泡将成为《电气用品安全法》的适用对象。其中还包括关于噪声强度的规定（预定噪声端子电压的频带为526.5kHz～30MHz、噪声功率的频带为30MHz～300MHz）。

无论《电气用品安全法》是否施行，随着LED照明市场的扩大，与其他电子产品之间相互干扰的问题也是无法避免的。

LED灯泡的电磁噪声源是其电源电路。由于LED灯泡的电源部在尺寸方面限制较为严格，因此需要用最少的元件实施电磁噪声对策。尤其重要的是噪声对策元件的选择。因此，本文将以LED照明电源电路泄露的电磁噪声种类及其测量方法、以及能有效抑制电磁噪声的元件选择方法为中心进行分析。

噪声电流有两种模式

一般情况下，EMC（电磁兼容性：electro-magnetic compatibility）标准中定义了两种电磁噪声的测量，分别是辐射到空中的“辐射噪声”和流经电源线的“传导噪声（噪声端子电压）”（图1）。噪声电流中同时存在“差模”和“共模”两种模式的噪声成分。差模噪声是在信号线和地线之间产生的噪声。而共模噪声在是大地与信号线和大地与地线之间产生的噪声，信号线和地线与大地之间的噪声类型相同，即具有相同的相位和相同的振幅。

图1：在LED灯泡中观测到的电磁噪声示例

EMC规定中定义了辐射噪声和传导噪声两种电磁噪声的测量，LED灯泡也不例外。有的LED灯泡产品的噪声超过了CISPR15的规定值（准峰值：QP和平均值：AV）。

辐射噪声的主要成分是共模噪声（图2（a））。这是因为，该噪声的电流环路面积要远远大于差模噪声的电流环路面积。

图2：电磁噪声存在两种模式

电磁噪声有差模和共模两种模式。辐射噪声中主要是共模成分（a）。而传导噪声中，差模和共模两种成分混合传播的情况较多（b）

而在传导噪声中能观测到差模和共模两种成分（图2（b））。如果是传导噪声，需要在掌握噪声成分特点的基础上，根据其特点采取对策。首先来介绍一下抑制传导噪声的方法。

区分电源的噪声模式

传导噪声的测量，一般利用V型人工电源网络，针对电源线1（L1）和电源线2（L2）各自的电磁噪声，测量准峰值*（QP值）和平均值（AV值，图3（a））。利用V型人工电源网络虽然能测量各电源线与大地之间的噪声电压，但由于差模噪声和共模噪声二者合在一起，分不清哪种噪声模式是主体。

图3：利用V型和Δ型人工电源网络测量

在传导噪声的测量中，一般针对电源线1（L1）和电源线2（L2）各自的电磁噪声，利用V型人工电源网络测量准峰值和平均值（a）。在该测量中，差模噪声和共模噪声合在一起，难以分辨哪种噪声模式是主体。而如果利用Δ型人工电源网络，便于分辨噪声模式的种类（b）。该电源网络可根据噪声模式（Sym：差模，ASym：共模）测量其频率特性。

*准峰值：对电磁噪声等进行检波时，用扩大了检波器时间常数的检波方式测量的值。是最大值和平均值之间的值。电磁噪声的准峰值较大时，容易引起收音机接收障碍。与相同接收灵敏度的相关关系要比峰值强。

但如果采用“Δ型人工电源网络”便可判断噪声模式的种类（图3（b））。该电路网可以测量传导噪声中各噪声模式的频率特性。

这种频率特性因产品类型而异。例如，LED灯泡、吊灯及大尺寸液晶电视之间的电磁噪声频率特性就有差别（图4）。LED灯泡是以差模噪声为主体，而LED吊灯是差模噪声和共模噪声混在一起。大尺寸液晶电视则以共模噪声为主体。

图4：噪声成分因产品而异

电子产品的种类变了，噪声成分的构成也会变化。例如，LED灯泡主要是差模噪声，LED吊灯中差模噪声和共模噪声混在一起（a，b）。而大尺寸液晶电视主要是共模噪声（c）。

那么，为何不同产品的传导噪声噪声成分会有特定的倾向？通过用电磁场分析模拟来分析这种倾向，就知道原因所在了。

噪声模式取决于尺寸

传导噪声的测量在屏蔽室内进行。测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等标准规定。两种标准中规定，屏蔽室的基准面与被测物体的距离要保持在0.4m，连接人工电源网络和被测物体的电线长度为0.8m，被测物体设置在高0.8m的台子上（图5）。

图5：传导噪声的测量在屏蔽室内进行

本图为传导噪声的测量情形。该测量的屏蔽室内进行。具体的测量条件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等规格规定。

此时，共模噪声会通过屏蔽室内壁（金属）与被测物体之间的分布电容流出。我们将这种情况模型化，然后利用电磁场模拟，分析了被测物体的尺寸与共模噪声易流出性（共模阻抗）之间的关系。

我们通过电磁场模拟分析了尺寸各异的4种（5×5×5cm3，10×10×10cm3，20×20×20cm3，100×80×20cm3）对象物，分别计算出了通过人工电源网络观察被测物体时的阻抗（图6）。

图6：噪声模式取决于产品尺寸

利用尺寸各异的4种对象物进行了电磁场解析模拟，计算出了从人工电源网络观察被测物体时的共模阻抗（a）。根据结果可知，形状越大，屏蔽室基准面与被测物体的分布电容越大，共模路径的阻抗就越低（b）。另外，频率越高，共模阻抗越低（c）。
图6的表中列出了1MHz下的共模阻抗以及将该阻抗换算成分布电容的值。

从利用电磁场模拟分析4种对象物的结果可知，形状越大，屏蔽室内壁与被测物体之间的分布电容越大。也就是说，产品尺寸越大，共模路径的阻抗越低，共模噪声的电流越容易流动，该噪声成分就越容易变大。