česky english Vítejte, dnes je sobota 04. prosinec 2021

Zřídka kladené otázky: Jak udržet elektromagnetické rušení budiči LED pod kontrolou

DPS 1/2021 | Součástky - články
Autor: Frederik Dostal, Analog Devices

Jak mohu snížit elektromagnetické rušení generované budiči LED při řešení osvětlení?

Otázky

Použitím napájecího zdroje Silent Switcher®.

Téměř veškerá osvětlovací technika dnes využívá technologie LED. V relativně krátkém časovém období se LED staly upřednostňovaným světelným zdrojem. Je však pravdou, že ve většině aplikací LED sama o sobě nemůže danou funkci plnit a ke svému provozu potřebuje vhodný napájecí zdroj. Takový zdroj buzení musí nutně pracovat s co nejvyšší účinností, aby se snížila spotřeba energie, což je důvodem, proč se k tomuto účelu používají především zdroje spínané.

U všech napájecích zdrojů bez ohledu na typ je třeba vzít v úvahu elektromagnetickou kompatibilitu. To platí zejména v případě osvětlení LED. Postupem času byly zavedeny různé normy pro měření, hodnocení a dokumentování rušení, které produkují svítidla LED.

Nezvládnuté elektromagnetické rušení může mít vážné následky. Zrovna nedávno jsem získal praktickou zkušenost s jedním z nich, když mi shořela stará vláknová žárovka E27 na systému ovládání vrat od garáže. Když jsem vadnou žárovku nahradil moderní LED žárovkou, světlo bylo opět funkční, ale co fungovat přestalo, bylo ovládání vrat dálkovým ovládačem. Tedy vyzařování z LED žárovky muselo způsobit rušení bezdrátové elektroniky ovládání garážových vrat.

Rušení generovaná spínaným zdrojem LED žárovky působí částečně na přívodech a částečně přímým vyzařováním. Elektromagnetické rušení z budiče LED se tudíž přenáší prostřednictvím přívodů ke zdroji, stejně jako magnetickou nebo kapacitní vazbou do přilehlých částí obvodů. Taková rušení obvykle nejsou destruktivní, ale mohou vést k nesprávné funkci součástek v bezprostřední blízkosti.

A tak se vyplatí snížit rušení na nejmenší míru, ale jaké vlastně požadavky musí být v tomto ohledu splněny? Všechna elektrická a elektronická zařízení v Evropské unii musí mít značku CE. Značka CE dokládá, že výrobek splňuje pravidla EU z hlediska bezpečnosti, zdraví a ochrany životního prostředí. Pokud je tomu tak, dovoz takových výrobků do Evropského hospodářského prostoru je povolen. V jiných částech světa existují jiné příslušné požadavky vztahující se na vyzařované rušení. K těmto patří například UL, CSA a další.

Otázky 1

V platnosti jsou četné normy, které se konkrétně vztahují k bezpečnosti a rušení LED žárovek. Jednou z hlavních je CISPR 11. CISPR anglicky znamená „International Special Commitee on Radio Interference“. Existují další důležitá pravidla a nařízení, včetně ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE a další, která vycházejí z norem CISPR.

Vyzařování přívody lze předvídatelně snížit použitím přídavných síťových odrušovacích filtrů. Tyto filtry jsou určeny k potlačení šumu v souhlasném a diferenciálním módu. Kmitočtové pásmo, které zde hraje roli, sahá do 30 MHz. Vývoj takových filtrů ovšem není úplně snadnou záležitostí. Filtr bývá obvykle optimalizován pro určité konkrétní kmitočtové pásmo. V jiných kmitočtových pásmech parazitní jevy a jimi způsobené změny v chování součástek mohou způsobit potíže. Filtr může například velmi dobře snížit rušení produkované spínaným zdrojem na 100 kHz. Zdroje však obvykle způsobují rušení v širokém pásmu kmitočtů, zvláště nad 10 MHz. Filtr, který je optimalizován pro 100 kHz, by mohl dokonce zvýšit vyzařování v důsledku parazitních jevů a rezonancí.

Otázky 2

Rušení vyzařováním není možné tímto způsobem předvídatelně snížit. V tomto případě hrají rozhodující roli energie obsažené v parazitních indukčnostech plošných spojů a pasivních součástek. Kmitočtové pásmo obvykle leží nad 30 MHz až po horní hranici, která je určena patřičnými normami. Snížit vyzařování na těchto kmitočtech je velmi obtížné a vyžaduje mnoho zkušeností a znalostí. Zejména při buzení osvětlení LED může docházet k obzvláště vysoké úrovni rušení vyzařováním. Obvykle se jedná o buzení řetězce LED, ale tyto sériové obvody často vyžadují rozsáhlý prostor na desce. Takové geometrické uspořádání má ale vlastnosti antény a jejich vyzařování je pak zvláště efektivní. Stínění elektrických obvodů je složité, nákladné, a v případě LED navíc dokonce nemožné, částečně z toho důvodu, že stínící plech pochopitelně nepropouští světlo. Řešením je z toho důvodu produkovat jen malé množství vyzařovaného rušení.

Pokud jde o elektromagnetickou kompatibilitu, mějte při návrhu LED žárovek s napájecím zdrojem v patrnosti následující možnosti:

  • Přidání filtrů do všech vstupů a výstupů zdroje, aniž bychom skutečně porozuměli konkrétním zdrojům rušení. To má obvykle za následek zvýšené náklady na předimenzovaných součástkách a zvýšené výrobní náklady.
  • Opakované použití osvědčené koncepce filtru, aniž bychom filtr pokaždé přizpůsobili. I zde mohou vznikat zvýšené náklady a konstrukce filtru může být méně než optimální.
  • Pověření externího odborníka návrhem filtru. V tomto případě musí být tento odborník k dispozici v potřebném čase. I toto řešení přináší další náklady.
  • Výběr integrovaného řešení spínaného regulátoru, který je již pro dosažení minimálního rušení a optimálního chování z hlediska EMC navržen. V takovém případě je třeba buď filtrace minimální, nebo vůbec žádné.

Většina budičů LED jsou měniče s topologií Boost (zvyšující). Obr. 1 ukazuje schéma zapojení tohoto typu měniče. Měniče s topologií Boost obvykle mívají nižší míru vyzařování po přívodu na straně vstupu. Vstupní proudy jsou nepulzující (modrá proudová smyčka). Na výstupní straně však dochází k výskytu značného vyzařování, protože „flybackovou“ diodou protékají pulzující proudy (červená proudová smyčka). V sepnutém stavu, to znamená, když je sepnut spínač připojený k zemi, je indukčnost v nabitém stavu a „flybackovou“ diodou neteče žádný proud. Veškerá energie tekoucí do zátěže v této časové fázi pochází z výstupního kondenzátoru.

Na obr. 1 je proud v sepnutém stavu znázorněn modrou a proud ve stavu rozepnutém zelenou. Všechny cesty, kterými protéká proud, se mění ve velice krátkém čase neboli spínacím přechodovém čase a jsou na obr. 1 znázorněny červenou. Ke změnám stavu od okamžiku, kdy protéká těmito cestami proud, do okamžiku, kdy proud neteče žádný, dochází v průběhu jen několika ns. Jedná se o cesty kritické a musí být navrženy co možná nejmenší a nejkompaktnější, aby bylo rušení vyzařováním sníženo.

Jako výsledek inovačního procesu jsou v poslední době dostupné IO spínaných regulátorů, které mají mnohem nižší úroveň rušení vyzařováním. Kritické cesty jsou vedeny symetricky tak, že vytvářené magnetické pole se z velké části vzájemně vyruší vlivem opačných směrů protékajícího proudu.

Obr. 2 ukazuje symetrické uspořádání této topologie. Magnetické pole vytvářené v horní červené smyčce má stejnou úroveň, jako má pole v červené smyčce dolní, ale jeho orientace je opačná. To přináší jev zrušení pole. Analog Devices tuto technologii přináší na trh pod označením Silent Switcher. Součástí této inovace je také zásadní snížení parazitní indukčnosti všech spojových úseků, což má za následek značné snížení vyzařovaných polí. Topologie Silent Switcher využívá patentované prostorové uspořádání výkonových tranzistorů a výstupních kondenzátorů k dosažení efektu vyrušení magnetického pole. Délka cesty mezi výkonovými tranzistory a výstupními kondenzátory měniče s topologií Boost (horká smyčka) určuje hodnotu indukčnosti, která je aktivní v tomto magnetickém poli. V technologii Silent Switcher 2 je délka této cesty značně zkrácena. Toho je dosaženo pomocí tzv. technologie „flip chip“, kdy je křemík v IO spínaného regulátoru připojen k jeho pouzdru nikoli bondovacími drátky, ale měděnými sloupky. Tyto sloupky mají podstatně nižší indukčnost, a tudíž při téže spínací rychlosti dochází ke vzniku mnohem menšího napěťového ofsetu, a díky tomu nižší úrovně vyzařování. Proto je tedy možné dosáhnout značného snížení elektromagnetického rušení použitím optimalizovaných IO budičů LED. V některých případech je dokonce možné zůstat v jistých mezích elektromagnetického rušení zcela bez použití odrušovacích filtrů.

Skutečné zapojení s velmi nízkým vyzařováním je vidět na obr. 3. LT3922-1 je zde použit v obvodu Boost. Řetězec 10 LED s proudem 333 mA je buzen vstupním napětím 8 až 27 V. Pro toto uspořádání je spínací kmitočet nastaven na 2 MHz a vzniklé vyzařování je minimální.

Obr. 4 ukazuje střední hodnotu vyzařování obvodu z obr. 3. Modré čáry značí příslušné hranice, které jsou určeny normou CISPR 25. Jak je patrné, požadavky normy jsou snadno splněny s velkou rezervou.

Budiče LED, jako je LT3922-1, který je navržen pro nízké rušení, také často nabízejí možnost aktivace funkce kmitočtové modulace s rozloženým spektrem (SSFM). Tato funkce sice nesnižuje skutečnou úroveň rušení, ale dokáže rozložit vyzařování napříč širším kmitočtovým pásmem. Díky tomu lze dosáhnout lepších výsledků při měřeních pro jednotlivé normy EMC. LT3922-1 nabízí tuto funkci mezi nastaveným spínacím kmitočtem a 125 % této hodnoty. Rozprostřené spektrum může mít také velmi významný vliv v pásmech VHF a UHF snížením vyzařování na kterémkoliv daném kmitočtu pod úroveň, která by mohla ovlivnit rádiovou komunikaci.

Tak jako je tomu u kteréhokoliv spínaného regulátoru, návrh desky plošných spojů je u budičů LED velice kritický. Moderní inovace, jako jsou technologie Silent Switcher a Silent Switcher 2 pomáhají zásadně zlepšit vlastnosti EMC, ale stále je důležité vyvarovat se chyb při návrhu plošných spojů. Řádné umístění kritických součástek, kterými protékají rychle se měnící proudy, je obzvláště rozhodující pro minimalizaci vyzařovaného rušení. V těchto proudových cestách musí být obsažená parazitní indukčnost co nejmenší. Proudové smyčky musí být navrženy co nejkompaktnější. Jako vodítko k úspěšným úvahám o těchto aspektech mohou podrobné dokumenty, jakým je katalogový list LT3922-1, nabídnout cenné a jasné informace.

Některé z dnešních moderních budičů LED jsou zaměřeny na minimalizaci elektromagnetického rušení. K tomu účelu využívají některé klíčové inovace v oblasti spínaných regulátorů, včetně technologií Silent Switcher a Silent Switcher 2 od Analog Devices. Provádění návrhu s použitím těchto IO vyžaduje ke splnění mezí EMC relativně malé úsilí.

Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik