电子镇流器电磁兼容性(EMC)技术方案探讨

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电子镇流器是大量用于节能灯！

电子镇流器电磁兼容性(EMC)技术方案探讨
照明电器电磁兼容(EMC)问题,日益受到世界各国的高度重视,我国已将该项目作强制性认证
要求(3C 认证),但目前照明电器行业在执行上却相对缺乏全面性共识,特别是在如何解决电子镇流
器电磁兼容性(EMC)问题上,尚无成熟可靠的技术措施,现状堪忧.本文谨就此提出一种用于电子镇
流器的技术解决方案和EMC 厚膜集成电路(已申请专利),供照明科研设计人员探讨和供照电器生
产企业直接采用.
关键词:电磁兼容(EMC)、辐射干扰(RFI)、传导干扰、差模(DM)、共模(CM)、滤波器、无源功
率因数校正电路(PPFC)、
高频泵、厚膜集成电路(IC)、照明灯具、接地
1、前言
电子镇流器按输入整流滤波电路的不同,目前可归纳为三种类型即:低功率因数电路(NPFC)、
无源功率因数校正电路(PPFC)和有源功率因数校正电路(APFC).事实上无论何种电路类型,由于
设计采用的主要技术与开关式(SMPS)电路基本相近,因此将不可避免的产生各类电磁干扰(EMI).
依据目前照明领域宏观技术标准要求和实际的技术水准现状,相对照明电器行业而言,当务之急,既
非仅是普及电子镇流器电磁干扰(EMI)的基本概念和基础理论,也非论述电磁干扰(EMI)对电气环
境所造成的危害,而是需要实在的检测手段和具体技术措施.基于此,本文谨提出一种应用于电子镇
流器的实用、高可靠、低成本并且兼容性广的技术方案和EMC 厚膜集成电路(已申请专利).
2、电子镇流器电磁兼容性的特征
2.1 传导干扰(conducted)
电子镇流器的传导干扰主要在“电源输入线”和“大地”之间产生.这种干扰有两种类型即差模
(DM)与共模(CM);差模(DM)信号以骚扰电压的形式出现在“电源输入线”之间,而与“地”无关,共模
(CM)干扰电压则在“电源输入线”与“大地”中间产生,共模信号电流从干扰源出发,通过分布电容入
地,沿地线传播,再经每一电源线返回.传导干扰的主要特征集中在“路”上.相对而言,差模(DM)信号
较共模(CM)信号容易控制些.
2.2 辐射干扰(RFI)
电子镇流器电路电流,通过自身磁场、电场或输入、输出导线及负载(灯管)与周边电子、电器
设备间以电磁波传播形式而形成的骚扰称为辐射干扰(RFI).辐射干扰的主要特征体现在“场”上.
2.3 输入电流谐波畸变
低功率因数电路(NPFC)或功率因数校正电路处置不当的电子镇流器其输入电流将产生严重谐
波畸变,这种畸变同辐射干扰(RFI)一样被认为是电源的污染,在解决电子镇流器EMI 的同时必须同
步兼顾处置,使之符合相关标准要求.
3、电子镇流器电磁兼容性的一般技术方案
3.1 辐射干扰的技术方案
电子镇流器虽然自身产生辐射干扰,并且输出导线和灯管也产生辐射电磁干扰,但可以通过将电
子镇流器装进具有接“地”点的金属外壳,连同灯具金属壳体可靠接地的方法解决.一般说来,这种辐
射电磁干扰对调幅(AM)无线电设施,例如收音机和调幅发射/接收设备影响较大,但由于灯具通常
都安装在较高位置,因此在有效解决好传导干扰的基础上,辐射干扰对电子镇流器和照明灯具而言,
不是解决EMI 主要技术难点.需要补充说明的一点是,美国联邦通讯委员会(FCC)将电子镇流器的
EMI 分为“A”级(class A)和“B”级(class B),前者适用于工厂企业、商业和户外;后者适用于办公、
住宅和家庭.由于办公、住宅和家庭的照明电器可能距其它电子、电器装置较近,因之更容易产生干
扰,故“B”级比“A”级的电磁干扰限制更为严格(要求在EMC 测试波形图表允许值的兰线以下).
3.2 传导干扰的技术方案
探讨电子镇流器电磁兼容性(EMC)技术方案的本质,实际就是探讨差模(DM)和共模(CM)传导
干扰的抑制方法,更具体地说就是“滤波器”的设计.滤波器技术方案是抑制传导干扰最有效和最经
济的手段,由于传导干扰在电源输入接口处最为严重,故EMI 滤波器均插入到电子镇流器的电源输
入端和整流电路之间(见图1).
3.3 电流谐波畸变的技术方案
如何提高电子镇流器的功率因数和改善输入电流谐波畸变,国内外均有大量专著介绍,积累了相
当丰富的成功经验和推出了不少成熟电路,在此不予赘述.需要提出的是,电子镇流器特别是采用
PPFC 的电子镇流器,当插入EMI 滤波器网络后,可能会在输入电流谐波总量(THD),输入功率因数
(PF)和灯电流波峰比(CF)等技术指标上造成一定影响,甚至是负面影响.
3.4 EMI 传导干扰滤波器
目前普遍采用的EMI 滤波器有“L”型(一电感加一电容)、“T”型(二电感加一电容)、“π”型(一电
感加二电容)和双“π”型(共轭电感加二电容)等,典型的双“π”型和复合型EMI 滤波器电路分别如图
1(a)(b)所示.
图1
关于经典EMI 滤滤器的工作原理、设计和参数选择,请参阅相关文献,但有一点应特别注
意,EMI 滤波器所用滤波电容(C1、C2)由于要长期、连续地承受电源电压的作用,故宜使用“χ”级或
“Y”级电容(方形电容),接“地”电容(C3、C4)在故障情况下,将流过一定量的“地”电流,并且在电子镇
流器耐压测试时外壳接“地”点与“电源输入线”间应能承受“2 倍电源电压加500V、20mA 历时1
分钟”而不击穿的试验.因此应特别注意其耐压和质量.
4、解决电子镇流器电磁兼容性的关键技术和设计制造难点
4.1 关键技术
一般来说,解决电子镇流器电磁兼容性的技术并不存在关键理论问题,而是由于目前电子镇流器
现状所带来的;众所周知,为了达到电子镇流器提高输入功率因数降低谐波限值,同时又不希望导致
电子镇流器制造成本大幅增加的目的,采用有源功率因数校正电路(APFC)技术方案明显不符合国
情.目前我国大量应用和制造的电子镇流器实际都是无源功率因数校正电路(PPFC),特别是“高频
泵”式电路,这种电路的一个主要技术措施就是将电子镇流器输出端的高频电流反馈到电子镇流器
的输入端,从而引起电子镇流器差模(DM)和共模(CM)传导骚扰电量明显上升,再加上目前为了有
效降低光源的“频闪效应”,克服照明环境“光污染”,已将电子镇流器的振荡频率提高到40KHZ 以上,
这些均无异乎在解决电子镇流器电磁兼容性上“雪上加霜”,如果不能突破电子镇流器的这项技术关
键,而脱离实际泛泛探讨电子镇流器的电磁兼容性和局限常规EMI 滤波器的设计观念,要想在实际
制作和市场销售中有效、可靠地解决以及监控电子镇流器的电磁兼容性问题,无疑将是“隔靴搔痒”
难以解决具体问题.
4.2 设计制造难点
4.2.1 成本难点
电子镇流器在我国起步较早,但起点极低,市场低价格机制业经形成,从市场经济角度出发,留给
解决电子镇流器电磁兼容性的制作“成本空间”近乎为“零”,这就给照明电器行业提升电子镇流器的
品质和执行“3C”认证带来了一个几乎无法逾越的障碍和形成了一个极大的“成本难题”.因此如何依
靠“创新性”的技术手段以低成本实现电子镇流器的电磁兼容性,是任何一个科研设计工作者无法否
认也无法回避的现实难题.
4.2.2 体积难点
由于灯具设计的紧凑性、经济性和小型化及细管径灯管(T8、T6、T5、T4 等)的推广,要求电
子镇流器同步向“小”“细”“紧”方向发展.因此电子镇流器的EMI 设计电路必须实现体积的小型化,
而这恰恰与EMI 滤波器滤波电感为避免磁饱和以及滤波电容增加容量需要体积增大形成尖锐的对
立.
4.2.3 工艺制作难点
由于电子镇流器体积限制和适应灯具形状要求,在电路设计排版时,元器件特别是电感元件的相
对位置,输入\输出回路、连接导线,甚至印刷线路板的铜箔,都将可能产生高频磁场感应和电场感应,
导致EMI 传导干扰的某些频段超标,这时即使加大滤波器的电感和电容,也将收效甚微.
4.2.4 可靠性难点
电子镇流器如果不解决可靠性问题、保障长寿命(>30000h)工作,要想大面积推广和扭转“节
能不节钱”的印象,即便各项技术指标包括电磁兼容性在内的测试数据再高水平,也终归是“花瓶”一
个,或者充其量也只能称为科研样品而已,明显没有实用意义,因此在设计电子镇流器EMI 电路时务
必将可靠性牢牢摆在首位.
4.2.5 兼顾性难点
严格说,电子镇流器特别是PPFC 电路的电子镇流器毕竟是一种经科学而巧妙的设计手段组合
而成的电子产品,同时又要集强电、弱电、微电子、光学、电真空、电磁学等多学科高技术为一体.
因此设计上的任何改变,均将导致其它性能指标的改变,往往是“牵一发而动全身”.因此在设计探讨
电子镇流器EMI 滤波器时一定要全面、慎重并兼顾电子镇流器的输入电流谐波含量(THD)、输入
功率因数(PF)、灯电流波峰比(CF)、灯启动特性、电能转换效率、匹配特性、灯功率、异常状态
保护、振荡频率、高低温特性、安全性能和高可靠性等方面,切不可顾此而失彼.
5、电子镇流器技术方案探讨
5.1 SY/EMC203A 厚膜集成电路(IC)简介
电子镇流器专用厚膜IC(均为已申请或已授权专利)
PPFC 电子镇流器的专用厚膜IC 分别为电磁兼容厚膜IC(SY/EMC203A)、功率因数校正厚膜
IC(SY/PF193B)和异常状态保护厚膜IC(SY/BF183C).可适应功率范围:单灯(T8/T5)8~150W,
双灯(T8/T5)2×8W~2×70W,外形尺寸见图2.
图2
5.2 采用SY/EMC203A 的EMI 滤波器
5.2.1 电原理图
采用SY/EMC203A 厚膜IC 组成的EMI 滤波器在适当调整外围滤波电感和电容的基础上,可
全面适用于APFC、PPFC、NPFC 各类电子镇流器,相应指标符合IEC61000-3-2(3)、GB17625、
GB17743 及欧盟EN55015、EN55022、EN55025 和美国FCC(class B)等标准要求.电原理
图见图3.
图3
5.2.2 器件的设计和选择
5.2.2.1 EMI 滤波电感
L1、L2 为共轭绕制的两组线圈,共用一套磁芯,磁隙为0.1~0.2mm,电感量范围40~80mh,
绕制线圈线径及磁芯的大小,依据电子镇流器的功率大小确定,基本原则是既能满足抑制EMI 共模
(CM)干扰信号的要求,同时功耗又不明显增加.
L3、L4 为两个采用“I”字形磁柱独立绕制的线圈,电感量范围5~15mh,主要用于抑制差模(DM)
干扰信号,制作原则同L1、L2.
5.2.2.2 EMI 滤波电容
滤波电容C1,容量取值为0.1~0.33μf,选用耐压为交流275V 的“X2”级方形电容.
5.2.2.3 其它器件
RV 为压敏电阻,当电源电压为AC220-240V 50HZ 时选用10D561,电源电压为AC110-120V
60HZ 时,选用10D301.R1 为泄放电阻,数值为1MΩ 1W.
6、由厚膜IC 组成的全性能PPFC 电子镇流器
6.1 电原理框图
电原理框图如图4 所示
图4
6.2 结构示例
见图片5,图中为单灯36W 和双灯2×36W 电子镇流器,外形尺寸分别为275×27×21mm 及
155×42×26mm 和320×35×28mm 及130×65×32mm.
图5
6.3 测试数据
电磁兼容(EMC),输入、输出特性分别见图6 的4 个图表(单灯36W).电磁兼容性检测采用杭
州伏达测试技术研究所“EMC300A 电磁兼容·传导干扰测试系统”;输入、输出特性检测采用杭州远
方仪器有限公司“HB-3 电子镇流器测试系统”.
图6
6.4 照明灯具组装
组装照明灯具时,为保障灯具电磁兼容特性下述几点应妥加掌握:
a、电子镇流器的接地点或接地线应与照明灯具的接地点可靠连接,当灯具为塑料体时,必须将电
子镇流器的接地点或线连同电源线一起引出(三芯线).
b、当照明灯具为多灯组合并采用多个电子镇流器时,应分别将各电子镇流器的接地或线单独与灯
具接地点连接,切勿串接.
c、照明灯具内,输入电源线,尽量不要与电子镇流器输出至灯管的导线并行或过份靠近.
d、照明灯具的外电源输入引线不宜超过1.5M,否则将导致EMI 测试数据出现偏差.
7、结论
7.1 电子镇流器是照明电器中最重要的基础部件之一,在我国全面实施强制认证(3C)制度的形
势下,解决电子镇流器电磁兼容性(EMC),已成为照明电器行业刻不容缓的一项重要工作和课题.
7.2 电子镇流器电磁兼容性(EMC)问题的关键并非理论问题,也非技术问题,而是照明行业现状
和市场机制现实所决定的,依据我国国情,电子镇流器电磁兼容(EMC)的一项实际而又关键的技术
是解决PPFC 电子镇流器的电磁兼容性.
7.3 电子镇流器电磁兼容性(EMC)所面临的“关键技术”以及“成本”、“体积”、“工艺制作”、“可
靠性”、“兼顾性”等五大难题,只能依靠“创造性”技术方案才可望解决.
7.4 本文所涉及的技术方案和SY 系列厚膜集成电路(IC)仅是一种发明性探讨,目的是在电子镇流
器科研领域“抛砖引玉”和直接与生产企业合作,期望在创新性技术设计、知识产权和宏观战略合作
的科学基础上,摆脱“弄虚作假”“打擦边球”及单纯“价格手段”模式,全面提升我国电子镇流器的品质
和技术含量,从而形成“公平竞争”格局,增强国际市场竞争力.