LED燈泡的噪聲對策：噪聲電流有兩種模式

修訂后的日本《電氣用品安全法》將從2012年7月開始施行。經(jīng)過此次修訂，LED燈泡也成為了該法規(guī)的適用對象。在幾項(xiàng)限制標(biāo)準(zhǔn)中，尤其引人關(guān)注的是關(guān)于電磁噪聲強(qiáng)度的限制。目前市場上出現(xiàn)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，隨著修訂版《電氣用品安全法》的施行，必須采取嚴(yán)格的噪聲對策。本文將根據(jù)LED照明的現(xiàn)狀，就LED照明的噪聲種類、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題使得人們的節(jié)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(jié)能產(chǎn)品正逐漸成為市場主流。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)開始投入市場。

其中LED燈泡方面，不僅是知名照明廠商，新涉足廠商的產(chǎn)品也開始在家居用品店以低價(jià)銷售，LED燈泡市場正在迅速擴(kuò)大。

與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化及法規(guī)導(dǎo)入等旨在實(shí)現(xiàn)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(nèi)。因此，有些LED照明產(chǎn)品的電磁噪聲較大。這樣一來，如果將路燈的燈具由汞燈換成LED燈泡，就會引起電視和收音機(jī)的接收障礙。

白熾燈泡是內(nèi)部沒有電源電路的電阻性負(fù)載，因此不存在這類電磁噪聲問題。但換成LED燈泡后問題就凸現(xiàn)出來了。如果就這樣推進(jìn)LED照明的普及，家中會出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)CISPR15（《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》），各國均出臺了基于該標(biāo)準(zhǔn)的限制規(guī)定。

日本也將開始啟用這種限制規(guī)定。從2012年7月開始，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(qiáng)度的規(guī)定（預(yù)定噪聲端子電壓的頻帶為526.5kHz～30MHz、噪聲功率的頻帶為30MHz～300MHz）。

無論《電氣用品安全法》是否施行，隨著LED照明市場的擴(kuò)大，與其他電子產(chǎn)品之間相互干擾的問題也是無法避免的。

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(yán)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LED照明電源電路泄露的電磁噪聲種類及其測量方法、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(biāo)準(zhǔn)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)電源線的“傳導(dǎo)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和地線之間產(chǎn)生的噪聲。而共模噪聲在是大地與信號線和大地與地線之間產(chǎn)生的噪聲，信號線和地線與大地之間的噪聲類型相同，即具有相同的相位和相同的振幅。

圖1：在LED燈泡中觀測到的電磁噪聲示例

EMC規(guī)定中定義了輻射噪聲和傳導(dǎo)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)品的噪聲超過了CISPR15的規(guī)定值（準(zhǔn)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?yàn)?，該噪聲的電流環(huán)路面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)噪聲中能觀測到差模和共模兩種成分（圖2（b））。如果是傳導(dǎo)噪聲，需要在掌握噪聲成分特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點(diǎn)采取對策。首先來介紹一下抑制傳導(dǎo)噪聲的方法。

區(qū)分電源的噪聲模式

傳導(dǎo)噪聲的測量，一般利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)，針對電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，測量準(zhǔn)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(dǎo)噪聲的測量中，一般針對電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，利用V型人工電源網(wǎng)絡(luò)測量準(zhǔn)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（b）。該電源網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)噪聲模式（Sym：差模，ASym：共模）測量其頻率特性。

*準(zhǔn)峰值：對電磁噪聲等進(jìn)行檢波時(shí)，用擴(kuò)大了檢波器時(shí)間常數(shù)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(zhǔn)峰值較大時(shí)，容易引起收音機(jī)接收障礙。與相同接收靈敏度的相關(guān)關(guān)系要比峰值強(qiáng)。

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

這種頻率特性因產(chǎn)品類型而異。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)品的種類變了，噪聲成分的構(gòu)成也會變化。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(dǎo)噪聲噪聲成分會有特定的傾向？通過用電磁場分析模擬來分析這種傾向，就知道原因所在了。

噪聲模式取決于尺寸

傳導(dǎo)噪聲的測量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。兩種標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，屏蔽室的基準(zhǔn)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)和被測物體的電線長度為0.8m，被測物體設(shè)置在高0.8m的臺子上（圖5）。

圖5：傳導(dǎo)噪聲的測量在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行

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

此時(shí)，共模噪聲會通過屏蔽室內(nèi)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。

我們通過電磁場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(jì)算出了通過人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測物體時(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)行了電磁場解析模擬，計(jì)算出了從人工電源網(wǎng)絡(luò)觀察被測物體時(shí)的共模阻抗（a）。根據(jù)結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室基準(zhǔn)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。

從利用電磁場模擬分析4種對象物的結(jié)果可知，形狀越大，屏蔽室內(nèi)壁與被測物體之間的分布電容越大。也就是說，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。