[RAQ] Jak utrzymać w ryzach poziom zakłóceń elektromagnetycznych sterowników LED

Pytanie:

Jak mogę zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne sterowników LED podczas projektowania systemów oświetlenia?

Odpowiedź:

Możesz wykorzystać układy z serii Silent Switcher.

Prawie wszystkie współczesne systemy oświetleniowe wykorzystują diody LED. W stosunkowo krótkim czasie stały się one preferowanym źródłem światła. Jednak w większości zastosowań dioda LED nie może sama spełnić swojej funkcji, wymaga bowiem odpowiedniego źródła zasilania. Taki obwód sterownika powinien oczywiście mieć jak największą sprawność, aby zmniejszyć zużycie energii, dlatego w takich aplikacjach zazwyczaj stosuje się przetwornice impulsowe.

Podczas projektowania wszystkich zasilaczy, niezależnie od typu, należy wziąć pod uwagę kompatybilność elektromagnetyczną. Jest to szczególnie istotne w przypadku oświetlenia LED. Z biegiem czasu ustalono różne standardy pomiaru, oceny i dokumentacji zakłóceń generowanych przez diody LED.

Niekontrolowane zakłócenia elektromagnetyczne mogą mieć poważne konsekwencje. Niedawno miałem z nimi do czynienia osobiście. W moim garażu z elektrycznie sterowaną bramą przepaliła się stara żarówka E27. Po wymianie na nowoczesną żarówkę LED światło znów działało, jednak nie mogłem już wtedy otworzyć bramy pilotem. Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez układ żarówki LED powodowało zakłócenia w elektronice radiowej bramy garażowej.

Emisje generowane przez zasilacz impulsowy mają częściowo charakter przewodzony a częściowo radiowy. Oznacza to, że sygnały elektromagnetyczne ze sterownika LED mogą być przenoszone zarówno przez linie zasilania, jak i przez magnetyczne lub pojemnościowe sprzężenie z sąsiednimi segmentami obwodu. Emisje te nie powodują zwykle żadnych uszkodzeń, ale mogą prowadzić do nieprawidłowego działania sąsiadujących elementów obwodu.

Normy kompatybilności elektromagnetycznej

Właśnie dlatego warto minimalizować generowaną emisje. Jakie jednak wymagania należy spełniać? Wszystkie produkty elektryczne i elektroniczne w Unii Europejskiej wymagają oznaczenia CE. Znak ten potwierdza, że produkt jest zgodny z przepisami UE dotyczącymi bezpieczeństwa, zdrowia i ochrony środowiska. Transport urządzeń zgodnych z tymi przepisami jest dozwolony na całym terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego. W innych częściach świata istnieją inne ważne wymagania dotyczące emisji promieniowania, na przykład UL, CSA i inne.

Istnieje wiele norm odnoszących się wyłącznie do bezpieczeństwa i emisji oświetlenia LED. Najważniejszą z nich jest CISPR 11. CISPR to skrót od fr. Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (Specjalny Międzynarodowy Komitet do spraw Zakłóceń Radioelektrycznych). Istnieje wiele standardów, zasad i przepisów, które są oparte na standardach CISPR m.in. ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE i inne.

Metody zmniejszania zakłóceń

Emisje przewodzone można w przewidywalny sposób zmniejszyć stosując dodatkowe filtry na zasilaniu. Filtry te są przeznaczone do usuwania szumów w trybie współbieżnym lub różnicowym. Zazwyczaj bierze się pod uwagę częstotliwości poniżej 30 MHz. Opracowanie takich filtrów nie jest jednak takie proste. Filtr jest zwykle optymalizowany dla określonego zakresu częstotliwości, natomiast w innych pasmach efekty pasożytnicze i wynikające z nich zmiany w zachowaniu stosowanych komponentów mogą powodować problemy. Na przykład układ może bardzo dobrze zmniejszać emisje generowane przez zasilacz impulsowy przy 100 kHz. Jednak zasilacze zwykle generują emisje w szerokim zakresie częstotliwości, zwłaszcza powyżej 10 MHz. W tym przypadku filtr zoptymalizowany dla 100 kHz mógłby nawet zwiększyć emisje poprzez efekty pasożytnicze i rezonansowe.

W ten sposób nie można więc bezpiecznie zmniejszyć emisji promieniowania. Decydującą rolę odgrywa tutaj energia magazynowana w pasożytniczych indukcyjnościach i pojemnościach ścieżek PCB, a także elementach pasywnych obwodów. Pasmo częstotliwości zwykle przekracza 30 MHz, sięgając górnej granicy określonej w odpowiednich normach. Zmniejszenie tych emisji jest bardzo trudne. Wymaga dużej dozy doświadczenia i szerokiej wiedzy. Zwłaszcza podczas sterowania zasilaniem lamp LED poziom emisji promieniowanej może być wyjątkowo wysoki. Zazwyczaj sterujemy wieloma diodami LED połączonymi szeregowo. Taki obwód często wymaga dużej ilości miejsca na płytce. Tak więc geometryczne rozłożenie elementów ma właściwości anteny, a generowane emisje promieniują wyjątkowo skutecznie. Ekranowanie obwodów elektrycznych jest złożone, kosztowne, a w przypadku diod LED nawet niemożliwe, ponieważ światło nie mogłoby przejść przez metalowe ekrany. Rozwiązaniem jest zatem redukcja emisji.

Możliwości podczas projektowania sterowników

Projektując żarówki LED z wbudowanym zasilaczem należy mieć na uwadze następujące możliwości w zakresie zapewniania kompatybilności elektromagnetycznej:

  • Dodawanie filtrów na wszystkich wejściach i wyjściach zasilacza bez dogłębnego zrozumienia konkretnych emisji. Zwykle powoduje to wysokie koszty produkcji z powodu przeszacowanych elementów.
  • Ponowne wykorzystanie sprawdzonej koncepcji filtra bez konieczności jego każdorazowej adaptacji. Tutaj również mogą wystąpić wyższe koszty komponentów, a konstrukcja filtra może być nieoptymalna.
  • Zatrudnienie eksperta w celu zaprojektowania filtra. Ekspert musi być dostępny we właściwym czasie i również stanowi źródło dodatkowych kosztów.
  • Wybór układów zasilaczy impulsowych, które są już zaprojektowane pod kątem minimalnej emisji i optymalnego zachowania w kwestii EMC. W takim przypadku wymagane jest tylko minimalne filtrowanie lub nawet jego całkowity brak.

Większość sterowników LED to konwertery typu boost (podwyższające). Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy tego typu konwertera. Przetwornice boost mają zwykle niskie emisje przewodzone po stronie wejściowej, ponieważ prądy na wejściu mają charakter niepulsacyjny (niebieska pętla prądowa). Jednak po stronie wyjściowej emisje są bardzo wysokie, ponieważ w tym przypadku prądy pulsacyjne przepływają przez diodę flyback (czerwona pętla prądowa). W czasie włączenia – to znaczy, gdy klucz podłączony do masy jest włączony – cewka indukcyjna jest ładowana i prąd nie przepływa przez diodę flyback. Całkowita energia zasilania obciążenia w tym momencie pochodzi z kondensatora wyjściowego.

Rysunek 1. Schemat obwodu przekształtnika boost, bardzo powszechnego w sterownikach LED

Na rysunku 1 przepływ prądu w czasie włączenia jest pokazany na niebiesko, a przepływ prądu w czasie wyłączenia jest pokazany na zielono. Wszystkie ścieżki, w których przepływ prądu zmienia się w bardzo krótkim czasie, nazywanym czasem przełączania, są pokazane na czerwono. Ścieżki te zmieniają swój stan z przewodzenia na brak przewodzenia prądu w ciągu zaledwie kilku nanosekund. Są to ścieżki krytyczne i muszą być zaprojektowane możliwie kompaktowo, aby zmniejszyć szkodliwe emisje zakłóceń.

Zalety technologii Silent Switcher

W wyniku różnych innowacji niedawno ukazały się układy scalone konwerterów impulsowych, które generują znacznie niższe zakłócenia niż dotychczas. Ścieżki krytyczne są w nich ułożone symetrycznie tak, że generowane pola magnetyczne w dużej mierze znoszą się wzajemnie ze względu na różne kierunki przepływu prądu.

Rysunek 2. Koncepcja Silent Switcher zastosowana do konwertera boost z polami magnetycznymi, które wzajemnie się znoszą

Rysunek 2 przedstawia symetryczne rozmieszczenie tego typu układu. Pole magnetyczne generowane w górnej czerwonej pętli ma taką samą wartość jak pole w dolnej czerwonej pętli, ale pola są skierowane w przeciwnym kierunku. Powoduje to całkowite zniesienie pola. Firma Analog Devices oferuje tą technologię pod nazwą Silent Switcher. Oprócz tej innowacji znacznie zmniejszono pasożytnicze indukcyjności we wszystkich krytycznych segmentach linii, co skutkuje znacznym zmniejszeniem promieniowania. Efekt tłumienia magnetycznego w topologii Silent Switcher wykorzystuje prawnie zastrzeżoną topologię tranzystorów mocy.

Silent Switcher 2

Długość ścieżki między tranzystorami mocy a kondensatorami wyjściowymi konwertera podwyższającego (pętla gorąca) określa indukcyjność związaną z tym polem magnetycznym. W technologii Silent Switcher 2 długość tej ścieżki została znacznie zmniejszona. Osiąga się to dzięki tak zwanej technologii flip chip. Krzem w układzie scalonym konwertera impulsowego jest podłączony do obudowy układu scalonego nie przewodami łączącymi, ale za pomocą miedzianych słupków, które mają znacznie niższą indukcyjność. Tak więc przy tej samej prędkości przełączania występuje znacznie mniejsze wahanie napięcia, a przez to niższy poziom emisji promieniowania. Dlatego też możliwe jest osiągnięcie znacznej redukcji zakłóceń elektromagnetycznych dzięki użyciu zoptymalizowanych układów sterownika LED. W niektórych przypadkach możliwe jest nawet osiągnięcie założonych granic emisji elektromagnetycznych bez stosowania żadnych dodatkowych filtrów.

Praktyczny obwód z bardzo niską emisją promieniowania pokazano na rysunku 3. Układ LT3922-1 pracuje w układzie podwyższającym napięcie typu boost. Szereg 10 diod LED o prądzie 333 mA jest zasilany napięciem wejściowym z zakresu od 8 V do 27 V. W tym układzie przełączanie odbywa się z częstotliwością 2 MHz, a generowane emisje są minimalne.

Rysunek 3. Przykładowy obwód sterownika LED Silent Switcher zoptymalizowany pod kątem minimalnej emisji i najlepszego zachowania kompatybilności elektromagnetycznej

Na rysunku 4 pokazano średnie emisje pochodzące z obwodu na rysunku 3. Niebieskie linie pokazują odpowiednie limity ze specyfikacji CISPR 25. Jak widać, są one spełnione z dużym zapasem.

Rysunek 4. Średnie promieniowanie EMI (CISPR 25) z układu opartego o LT3922-1 przedstawionego na rysunku 3

Inne aspekty projektowania sterowników LED

Sterownik LED taki jak LT3922-1, zaprojektowany z myślą o niskiej emisji zakłóceń, często oferuje również opcję modulacji częstotliwości rozpraszającej widmo (ang. spread spectrum frequency modulation – SSFM). Nie zmniejsza ona rzeczywistych generowanych zakłóceń, ale rozkłada emisje w szerszym zakresie częstotliwości. Można dzięki temu uzyskać lepsze wyniki w pomiarach dla poszczególnych norm EMC. Układ LT3922-1 oferuje tę funkcję od ustawionej częstotliwości przełączania do 125% jej wartości. Modulacja widma rozproszonego może mieć również bardzo istotny wpływ na pasma VHF i UHF, zmniejszając emisję poniżej poziomu mającego wpływ na komunikację radiową.

Podobnie jak w przypadku każdego konwertera impulsowego, również dla sterowników LED bardzo istotny jest projekt układu płytki. Nowoczesne metody, takie jak technologie Silent Switcher i Silent Switcher 2, pomagają radykalnie poprawić zachowanie układu pod względem EMC, ale nadal ważne jest unikanie błędów przy projektowaniu płytki drukowanej. Właściwe rozmieszczenie krytycznych komponentów, które przewodzą szybko przełączane prądy ma szczególne znaczenie dla zminimalizowania emisji promieniowania. Ścieżki te powinny mieć jak najmniejszą indukcyjność pasożytniczą. Pętle prądowe również należy zaprojektować w sposób możliwie zwarty. Pomocne przy rozważaniu tych aspektów mogą być szczegółowe dokumenty, takie jak datasheet układu LT3922-1 zawierający cenne i jasne informacje.

Niektóre ze współczesnych sterowników LED są wyspecjalizowane do minimalizacji emisji elektromagnetycznej. W tym celu wykorzystują innowacyjne techniki z zakresu konwerterów impulsowych, takie jak technologie Silent Switcher i Silent Switcher 2 firmy Analog Devices. Podczas projektowania systemów wykorzystujących te układy, wysiłek potrzebny aby spełnić standardy emisji elektromagnetycznej jest stosunkowo niewielki.

O autorze