Giảm thiểu EMI từ mạch Driver LED

EMI (nhiễu điện từ, hay gọi tắt là ‘nhiễu’) từ đèn LED là một vấn đề rất phổ biến. Nó có thể gây ra các vấn đề nhiễu chẳng hạn như làm nhiễu tín hiệu vô tuyến trong vùng lân cận hoặc nó có thể chỉ là vấn đề vượt qua các rào cản pháp lý như FCC hoặc CE. Trong nghiên cứu điển hình này, tôi sẽ tập trung vào đèn pha LED 100W mà tôi đã thử nghiệm và sản xuất gần đây ở Châu Á. Đối với ứng dụng cụ thể, đèn rọi này phải có nhiễu cực thấp, vì vậy tôi sẽ chỉ ra những gì cần thiết để đạt được điều đó.

Đây là những gì chúng tôi sẽ đề cập:

• EMI được tạo ra như thế nào trong ánh sáng LED?
• Chuẩn bị cho thử nghiệm EMC
• Hiệu suất cơ bản
• Thêm bộ lọc
• Thêm ferit
• So sánh các driver LED có sẵn
• Tác dụng triệt tiêu sóng hài chủ động
• Tổng hợp các phương pháp giảm thiểu EMI từ đèn LED

Bắt đầu nào!

EMI được tạo ra như thế nào trong đèn LED?

MẠCH LED ĐƠN GIẢN

Đèn LED là thiết bị bán dẫn đơn giản phát ra ánh sáng khi có điện áp chuyển tiếp đủ lớn được đặt trên các cực của nó và dòng điện chạy qua.

Để tạo ra ánh sáng, điện áp trên các cực phải lớn hơn điện áp chuyển tiếp của đèn LED. Sau khi điện áp tăng qua điểm đó, độ sáng

CHUỖI ĐÈN LED (KHÔNG HIỂN THỊ BẢO VỆ)

tăng tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua nó.

Khi điều khiển đèn LED công suất cao, thường có một số đèn LED được kết nối nối tiếp và một số chuỗi đèn LED song song như minh họa bên trái.

Driver trong nghiên cứu trường hợp này được sử dụng ở chế độ dòng điện không đổi, mặc dù cũng có thể sử dụng nguồn cung cấp điện áp không đổi.

Bản thân các đèn LED được điều khiển ở DC (không chuyển đổi) hoặc bằng PWM (điều chế độ rộng xung). PWM thường được sử dụng để giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể, tận dụng một đặc điểm của mắt người, nhờ đó có thể cảm nhận được các chùm ánh sáng ngắn, tần số cao có độ sáng gần như chính xác như ánh sáng liên tục bật.

MẢNG ĐÈN LED TRÊN PCB

Nếu tần số đủ cao, việc giảm chu kỳ hoạt động xuống 50% (tắt trong 50% thời gian) có thể dẫn đến giảm độ sáng không đáng kể.

Tuy nhiên, khi sử dụng PWM, các sóng hài đáng kể có thể được tạo ra lên đến hàng trăm MHz, điều này có thể dễ dàng gây ra lượng phát xạ cao từ cáp LED.

Đối với ánh sáng trong nghiên cứu điển hình này, chúng ta đang xử lý dòng điện một chiều được điều khiển bởi một nguồn dòng điện không đổi có sẵn.

Nguồn dòng điện về cơ bản là nguồn điện AC-DC và đây là nguồn của EMI.

Như tôi đã trình bày trong video này về các vòng lặp dòng điện, video này về bộ chuyển đổi nguồn DC-DC và vài giờ trong khóa học trực tuyến ‘ EMC Design for Compliance: Emissions ‘, nguồn gốc của nhiều vấn đề đau đầu về phát xạ dẫn và bức xạ là việc chuyển đổi trong một nguồn cung cấp năng lượng chế độ chuyển đổi. Nó không khác nhau trong trường hợp này.

SƠ ĐỒ KHỐI DRIVER LED [MEANWELL] VÀ THỦ PHẠM NHIỄU

Tôi đã nghiên cứu thiết kế bộ nguồn AC-DC 100W từ đầu cho ứng dụng chiếu sáng LED này, nhưng với số lượng liên quan, việc sử dụng driver đèn LED bán sẵn sẽ tiết kiệm chi phí và thời gian hơn nhiều.

Như chúng ta sẽ thấy trong nghiên cứu điển hình này, tất cả driver đèn LED (hoặc nguồn điện) không được tạo ra như nhau! Và mặc dù tôi đang sử dụng driver có sẵn, nhưng vẫn có sẵn một số đòn bẩy để giảm hiệu suất phát xạ bức xạ và dẫn điện.

Chuẩn bị cho thử nghiệm EMI

Không có gì bí mật khi thời gian trong phòng thử nghiệm EMC rất tốn kém và nó diễn ra cực kỳ nhanh, vì vậy tốt nhất bạn nên chuẩn bị sẵn sàng nhất có thể.

Chiến lược của tôi để thành công tại phòng thử nghiệm EMC bao gồm:

• Thực hiện kiểm tra tuân thủ trước khi đến phòng thí nghiệm bao gồm các phép đo đầu dò dòng điện và kiểm tra nhấp nháy/sóng hài
  • Các phép đo thăm dò dòng điện nằm dưới mức ồn sàn, vì vậy tôi không phát hiện ra bất kỳ vấn đề phát xạ lớn nào. Kiểm tra nhấp nháy/sóng hài sẽ được thảo luận trong phần sau.
• Mang theo 3 driver LED khác nhau để so sánh
  • Tôi có một driver ưa thích do chi phí và tính khả dụng, nhưng tôi đã mang theo bản sao lưu từ 2 nhà sản xuất khác nhau chỉ để dùng thử.
• Mang các mô-đun bộ lọc cho đầu vào và đầu ra của driver LED
  • Các mô-đun bộ lọc có sẵn này được thiết kế cho các ứng dụng DC (đầu ra) và AC (đầu vào)
• Mang theo các tùy chọn che chắn bổ sung
  • Tôi không cần phải điều tra tuyến đường này
• Mang theo một lựa chọn của clip-on ferrites
  • Đối với ứng dụng này, chi phí bổ sung cho ferrite không quá cao, vì vậy tôi đã mang theo bộ công cụ ferrite Wurth cho việc này.
• Có tất cả các dự phòng được cài đặt sẵn (nhưng không được kết nối) hoặc càng gần càng tốt để sẵn sàng cài đặt
  • Rất nhiều thời gian có thể bị ngốn tại phòng thí nghiệm khi hàn và mở/đóng các thiết bị. Cài đặt trước các trường hợp dự phòng để tiết kiệm thời gian.

Cấu hình đèn LED cơ bản được hiển thị bên dưới:

Hiệu suất cơ bản

Vì vậy, lần quét đầu tiên của đèn LED mang lại kết quả như sau:

HIỆU SUẤT PHÁT XẠ BỨC XẠ CƠ SỞ

Bỏ qua bức xạ xung quanh 800 MHz – đây là những tín hiệu xung quanh trong dải điện thoại di động.

Các va chạm khác là do ánh sáng, với màu xanh lam (phân cực ăng-ten dọc) và đỏ (phân cực ăng-ten ngang). Sự phân cực dọc tồi tệ hơn nhiều, điều này không có gì lạ. Điều này chủ yếu là do cáp duy nhất đi ra khỏi sản phẩm (cáp nguồn AC) chạy dọc từ bàn kiểm tra xuống sàn. Phát xạ từ cặp cáp này hiệu quả hơn khi ăng-ten thu được phân cực theo cùng một hướng.

Thông thường điều này sẽ được coi là một kết quả tuyệt vời. Mức phát xạ trong trường hợp xấu nhất là khoảng 10dB dưới đường giới hạn. Nhưng đối với ứng dụng cụ thể này, điều rất quan trọng là phải giảm bất kỳ lượng phát xạ nào dưới mức nhiễu sàn hoặc gần với mức đó.

Rượu rum và coca kỷ niệm sẽ phải đợi, tôi có một số việc phải làm!

Sửa đổi đơn vị cơ sở

Sau đó, tôi từng bước thực hiện một số bài kiểm tra đã chuẩn bị, được hiển thị trong ảnh bên dưới. Những thử nghiệm này không phải để chứng minh một giải pháp sẵn sàng sản xuất, chúng chỉ để tìm ra vị trí của các đòn bẩy trong thiết kế, để có thể tìm ra một giải pháp tinh tế hơn.

Thêm bộ lọc Schaffner

BỘ LỌC MỤC ĐÍCH CHUNG SCHAFFNER FN2020

Điều đầu tiên tôi thực hiện là kết nối bộ lọc được cài đặt sẵn ở trên. Bộ lọc là bộ lọc AC/DC mục đích chung từ Schaffner, với sơ đồ khối như được hiển thị. Điều này cung cấp cả sự suy giảm ở chế độ chung và chế độ vi sai, và tôi mong đợi nó sẽ giúp ích khá nhiều.

Kết quả của một thay đổi đó được hiển thị bên dưới:

PHÁT XẠ BỨC XẠ KHI LẮP BỘ LỌC AC

Điều này làm suy giảm đáng kể phần lớn lượng phát xạ ngoại trừ mức cao nhất ở khoảng 75 MHz. Các đỉnh băng hẹp có thể nhìn thấy khác là môi trường xung quanh.

Thêm (các) Ferit trên Cáp AC

Bước tiếp theo là thêm một ferrite kẹp trên dây cáp bên ngoài vào thiết bị dẫn đến cải tiến sau:

VỚI BỘ LỌC SCHAFFNER & 1 FERRITE BÊN NGOÀI

Điều đó làm giảm mức đỉnh xuống khoảng 5dB. Thông thường, một lần đi qua ferrite có thể làm giảm nhiễu từ 1-10dB.

Sau đó, tôi đã thêm 1 ferrite bên ngoài, kết quả như sau:

2 FERRITE NGOÀI + BỘ LỌC SCHAFFNER

Điều này gần như có thể chấp nhận được, chỉ có một đỉnh xấp xỉ 4dB so với mức ồn sàn.

Việc bổ sung thêm một số ferit bên trong thiết bị không cải thiện được lượng phát xạ thêm nữa. Trong thực tế, trong một số trường hợp, họ làm cho nó tồi tệ hơn.

Tuy nhiên, với một mô-đun bộ lọc và 2 ferrite, đây không phải là một giải pháp lý tưởng.

Đã đến lúc thử driver LED khác.

Tắt driver LED

Nhanh chóng tắt driver LED khi thời gian được đánh dấu xuống đến cuối thời gian được phân bổ tại phòng thí nghiệm EMC, đồng thời loại bỏ tất cả các bộ lọc/ferrite đã được áp dụng trước đó mang lại kết quả sau:

DRIVER LED MỚI – KHÔNG CÓ BỘ LỌC BÊN NGOÀI HOẶC FERRITES

Đây là một kết quả tuyệt vời. Driver mới đạt được hiệu suất tốt hơn driver trước đó, ngay cả khi không có bộ lọc bên ngoài.

Bộ lọc bên trong driver tốt hơn nhiều, cả về chế độ vi sai và nhiễu chế độ chung. Chi phí bổ sung của driver nhiều hơn bù đắp cho chi phí bổ sung của các thành phần lọc nhiễu cần thiết để sử dụng driver trước đó.

Đối với bài kiểm tra cuối cùng, tôi đã áp dụng một ferit bên ngoài thiết bị (Wurth #74270044) để xem liệu nó có đè bẹp đỉnh cuối cùng hay không.

DRIVER LED THỨ 2 VỚI 1 FERRITE BÊN NGOÀI

… và có 5dB cuối cùng!

Bây giờ hãy so sánh với mức độ phát xạ của môi trường xung quanh từ buồng:

Mức độ phát xạ xung QUANH trong phòng PHÒNG KHÔNG PHẢN XẠ

Kết quả cuối cùng là không thể phân biệt được với sàn nhiễu của căn phòng, đó là mục tiêu.

Phương pháp chọn nguồn cung cấp sẵn có hiệu suất cao hơn này được sử dụng rất phổ biến. Ví dụ: nếu bạn có một ứng dụng mà bạn phải đáp ứng các giới hạn của FCC loại A, thì bạn có thể có nguồn điện loại B làm dự phòng, theo lý thuyết, loại này có hiệu suất cao hơn ít nhất 10dB. Nhưng như tôi đã trình bày ở đây, ngay cả bộ cấp nguồn/driver cùng loại cũng có thể có hiệu suất rất khác nhau.

Tác dụng triệt tiêu sóng hài chủ động

Một cân nhắc khác cho hệ thống chiếu sáng LED của bạn là liệu nó có cần đáp ứng các yêu cầu về nhấp nháy và sóng hài hay không. Ở Châu Âu, dưới Dấu CE, điều này được quy định trong EN61000-3-2 và EN61000-3-3. Thông thường, điều này áp dụng cho các thiết bị điện có công suất tiêu thụ trên 75W (áp dụng nhiều cảnh báo).

Tại Hoa Kỳ, theo các quy tắc của FCC, đây không phải là yêu cầu bắt buộc mặc dù yêu cầu này có thể được nêu ra theo tiêu chuẩn sản phẩm quốc tế mà sản phẩm của bạn phải tuân thủ.

Các tiêu chuẩn nhấp nháy & sóng hài là một nỗ lực nhằm giảm thiểu lãng phí điện năng lấy từ các hệ thống phân phối điện địa phương và khu vực. Thực tế, đó là giới hạn về mức độ biến dạng mà thiết bị của bạn có thể gây ra cho dạng sóng điện áp đầu vào AC hình sin.

Là một phần của nghiên cứu điển hình này, tôi đã đánh dấu đèn pha LED so với một sản phẩm tương tự.

Rõ ràng là sản phẩm kia không có triệt tiêu sóng hài chủ động. Hệ số công suất và độ méo hài tổng kém hơn nhiều và nó đã thất bại trong bài kiểm tra dòng điện hài. Trong khi đó, việc sử dụng driver LED có sơ đồ khối tương tự như sơ đồ được hiển thị ở đầu bài viết này cho phép hệ số công suất và hiệu suất THD tốt hơn nhiều. So sánh kết quả giữa hai sản phẩm được hiển thị bên dưới:

SẢN PHẨM TƯƠNG TỰ KHÔNG CÓ HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT (SÓNG HÀI) – KHÔNG THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH ĐÈN LED VỚI PFC – PASS

Các phép đo này được thực hiện bằng cách sử dụng máy phân tích nhấp nháy và sóng hài (HA1600A) của TTI Instruments.

Tổng hợp các phương pháp giảm thiểu EMI từ đèn LED

Mặc dù đôi tay của chúng ta bị bó buộc khi sử dụng bộ nguồn hoặc driver đèn LED có sẵn, nhưng chúng ta có thể làm một số việc để giảm thiểu lượng phát xạ.

1. Đánh giá 2 hoặc 3 driver khác nhau từ các nhà cung cấp khác nhau. Hiệu suất thay đổi đáng kể.
2. Tắt PWM nếu các ràng buộc thiết kế của bạn cho phép.
3. Áp dụng bộ lọc AC chế độ chung cho đầu vào của nguồn điện.
4. Gắn (các) ferrite vào cáp nguồn đầu vào. Đảm bảo các ferrite có dòng điện định mức phù hợp để tránh bão hòa và chọn mức suy giảm điện trở tối đa ở tần số sự cố.
5. Đảm bảo khoảng cách vật lý tối đa giữa cáp đầu vào của driver và cáp đầu ra để giảm thiểu sự ghép nối giữa các cáp đó (mức ghép nối cao giữa cáp đầu vào/đầu ra có thể làm giảm tác dụng của bộ lọc).
6. Đảm bảo vỏ bộ điều khiển được liên kết tốt với khung của sản phẩm, rất gần với đầu cáp nguồn để giảm thiểu dòng điện chế độ chung trên cáp.
7. Nếu bạn cần vượt qua các bài kiểm tra nhấp nháy/sóng hài (flicker/harmonic), hãy đảm bảo driver đèn LED của bạn có hệ số công suất tốt (nguồn cung cấp được đánh dấu CE phải vượt qua điều này).

Phần kết luận

Đây là một trường hợp nghiên cứu đơn giản về việc giảm EMI từ đèn pha LED 100W khi sử dụng driver LED có sẵn. Nếu bạn muốn được đào tạo chuyên sâu hơn về thiết kế nguồn điện có EMI (bức xạ và dẫn điện) thấp, hãy tham khảo khóa học trực tuyến về Thiết kế tuân thủ EMC: Phát xạ .

Tham khảo: https://emcfastpass.com/emi-led-lighting/