LED的电磁干扰问题分析

LED电视普通照明灯具通常采用脉冲宽度调制(PWM)技术实现LED的恒流供电和调光功能，因此会产生一定程度的无线电骚扰和谐波。本文通过对部分LED灯具的测试和研究，掌握LED灯具在使用中可能产生电磁干扰的相关数据，并提出相应的解决措施。

　　1 原理和目的
 

　　LED光源是一种低压直流器件，因此，LED灯具需要有一个能将220 V交流电转换成符合LED工作要求低压直流的电源，但是舞台和影视用的灯具又需要具有调光功能，因此，其电源更为复杂。目前演播室用LED灯具配置的电源装置其主流模式是：

　　(1)前级采用普通脉冲宽度调制(PWM)的开关电源，作为低压直流电源，开关频率通常为几十千赫兹。

　　(2)后级再以斩波方式，进行低频脉冲宽度调制，用调节占空比的方式来调节灯具的亮度。这一部分电路通常为灯具厂自行开发，开关频率各厂差异较大。通常为数百赫兹到几十千赫兹不等。

　　在脉冲宽度调制的工作方式中，电源装置对电流的斩波会产生高次谐波，其对剧场和演播室中的音、视频系统和其他弱电系统产生无线电骚扰，可能影响其他设备的正常工作。此外，由于电源装置中的整流电路和电容滤波电路会使工频电流发生畸变，产生的低次谐波会对电网造成污染，影响其他电气设备运行。

　　因此，需要对LED灯具进行一系列的测试：按国标GB17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》进行测试，测量其无线电骚扰特性是否满足该标准的要求;按国标GB 17625.1-2003 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》进行测试，测试其谐波电流是否满足该标准的要求。

　　通过本课题的实验和研究，了解LED灯具在演播室使用中可能产生电磁干扰的相关数据，并提出相应的解决措施。

　　2 实验内容和方法

　　2.1 实验条件

　　本研究需要专业的各种电磁兼容测试设备，如电源分析仪、人工电源网络、传导测试接收机、辐射干扰接收机和三环天线等，有的测试还需要在电波暗室中进行，因此，必须委托经国家相关部门批准的专业检测机构进行检测。

　　2.2 试验用灯具

　　试验用灯具共有2类5个型号。每个型号1个灯具，共5个灯具。详见表1。

　　表1 试验用灯具类型和编号

　　

 

　　2.3 实验内容

　　(1)按国标GB 17743-2007要求，找出调光过程中产生的最大骚扰点，测量该点的无线电骚扰值。

　　(2)按国标GB 17625.1-2003要求，将灯具在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，测试各级段的谐波分量。

　　2.4 实验方法和步骤

　　先将待测的灯具老化100小时，待灯具的参数稳定之后，再送检。

　　2.4.1 无线电骚扰测试

　　2.4.1.1 传导骚扰电压测试

　　按国标GB 17743-2007的要求在灯具电源端和控制端进行测试。

　　(1)灯具电源端测试按以下5个频段进行：9 kHz ～50 kHz;50 kHz ～ 150 kHz;150 kHz ～ 0.5 MHz;0.5 MHz～ 5.0 MHz;5.0 MHz ～ 30 MHz。

　　(2) 灯具控制端测试按以下2个频段进行：150 kHz ～0.5 MHz;0.5 MHz ～ 30 MHz。

　　2.4.1.2 辐射电磁骚扰测试

　　按国标GB 17743-2007的要求进行测试。

　　按国标GB 17743-2007的要求进行测试。

　　(1)9 kHz ～ 30 MHz频率范围测试按以下4个频段进行：9 kHz ～ 70 kHz;70 kHz ～ 150 kHz;150 kHz ～3.0 MHz;3.0 MHz ～ 30 MHz。图1为其测试装置示意图。

　　

 

　　图1 9 kHz ～ 30 MHz频率范围辐射电磁骚扰测试装置示意图

　　(2) 在电波暗室中，对30 MHz ～ 300 MHz频率范围测试按以下2个频段进行：30 MHz ～ 230 MHz;230 MHz～ 300 MHz。图2为30 MHz ～ 300 MHz频率范围辐射电磁骚扰测试装置示意图。

　　

 

　　图2 30 MHz ～ 300 MHz频率范围辐射电磁骚扰测试装置示意图

　　以上测试的无线电骚扰特性限值见GB 17743-2007。

　　
2.4.2 谐波测试

 

 

　　按国标GB 17625.1-2003中对C类设备以及内置调光器灯具的要求测试灯具的谐波分量，在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量，测试谐波次数n的范围为：

　　n = 2、3、5、7、9以及11 ≤ n ≤ 39(仅有奇次谐波)

　　图3为谐波电流测试装置示意图。

　　

 

　　图3 谐波电流测试装置示意图

　　以上测试的谐波电流发射限值见GB 17625.1-2003。

　　3 实验结果和分析

　　从本次研究的灯具样本1# ～ 5#中挑选了1#、3#和4#灯具送北京市家用电器质量监督检验站检测，但各个灯具的测试结果不同程度地超过了标准规定的限值，为此，灯具厂对灯具进行了技术改进，改进后的1#灯具重新送检，并通过了两项标准的测试。

　　5#和2#灯具分别送广州相关测试机构检测，均已通过两项标准的测试。

　　以下是对其中3个灯具的主要测试参数进行分析。

　　3.1 1#灯具测试结果

　　3.1.1 无线电骚扰特性测量

　　(1)传导骚扰电压测试

　　A. 灯具的电源端频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)。参见图4。

　　

 

　　图4 电源端9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)

　　B. 灯具的电源端频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(平均值)。参见图5。

　　

 

　　图5 电源端9 kHz ~ 30 MHz范围内传导骚扰电压(平均值)

　　(2)辐射电磁骚扰测试

　　A. 频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内辐射电磁骚扰根据GB 17743-2007，灯具应在三个互相正交的环形天线系统中测试，每一环形天线分别测试辐射电磁骚扰，图6是其中水平环形天线测试的辐射电磁骚扰值。

　　

 

　　图6 水平环形天线测试的辐射电磁骚扰值

　　B. 频率为30 MHz ～ 300 MHz范围内辐射电磁骚扰本次测试是采用CDN法测试，限值应符合GB 17743-2007的相应要求，测试结果见图7。

　　

 

　　图7 频率为30 MHz ～ 300 MHz范围内CDN法测试的辐射电磁骚扰

　　以上测试根据测试单位告知是在全功率的42%左右(控制数据为十六进制6C，最大值为FF)、无线电骚扰最大时的测试数据。根据上述测试数据，1#灯具的电源端的传导骚扰电压和辐射电磁骚扰，达到GB 17743-2007的要求。

　　注：本次测试未对控制端的传导骚扰电压进行测试。
3.1.2 谐波电流测量

 

 

　　根据GB 17625.1-2003的要求应在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量，测试单位仅提供20%和其他情况下干扰最大时的测试数据。

　　(1)在全功率的20%，即24 W左右时，测试数据见图8。

　　

 

　　图8 在全功率的20%时的谐波电流

　　(2)除全功率的20%外，其他功率下谐波最大时的测试数据见图9。

　　

 

　　图9 除全功率的20%外，其他功率下谐波最大情况的谐波电流

　　根据以上测试数据， 1 # 灯具的谐波电流达到GB17625.1-2003的要求，在低功率(20%)时，虽有较大的偶次谐波，但GB 17625.1-2003对2次以外的偶次谐波无限定。

　　这也是造成电流波形畸变较大(见图10)的原因，应引起重视。

　　

 

　　图10 1#灯具的电流波形

　　3.2 5#灯具测试结果

　　3.2.1 无线电骚扰特性测量

　　(1)传导骚扰电压测试。

　　A. 灯具的电源端频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)，参见图11。

　　

 

　　图11 灯具电源端频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)

　　B. 灯具的控制端频率为150 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)。参见图12。

　　

 

　　图12 灯具控制端频率为150 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)

　　(2) 辐射电磁骚扰测试

　　A. 灯具在频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内辐射电磁骚扰。

　　根据GB 17743-2007，灯具应在三个互相正交的环形天线系统中测试，每一环形天线分别测试辐射电磁骚扰，图13是其中一个环形天线测试的辐射电磁骚扰值。

　　

 

　　图13 频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内辐射电磁骚扰

　　B. 灯具在频率为30 MHz ～ 300 MHz范围内辐射电磁骚扰。

由于电波暗室较小，无法按GB 17743-2007的测试要求在10 m距离进行测试，本次频率为30 MHz ～ 300MHz范围内辐射电磁骚扰的实际测试距离为3 m，根据国标GB 9254-2008 《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》的10.8，如在不同测试距离测试时，可根据下列公式换算：

 

 

　　L2=L1(d1/d2)。

　　L1——距离d1处规定的限值。

　　L2——距离d2时的新限值。

　　因此，将GB 17743-2007的限值换算成表2。天线垂直方向和水平方向的测试结果如图14所示。

　　

 

　　图14 频率为30 MHz ～ 300 MHz范围内辐射电磁骚扰

　　表2 减少测试距离限值换算的结果

　　

 

　　注：对于这种减少测试距离、限值换算的测试方式的准确度有不同的看法。一般在电波暗室不能满足10m测试距离时可用CDN测试法，此测试法为GB 17743-2007所允许。

　　以上测试根据检测单位告知是在全功率下进行的，全功率是该灯无线电骚扰最大状态。根据上述测试数据，5#灯具的电源端和控制端的传导骚扰电压及其辐射电磁骚扰，都达到国家标准GB 17743-2007的要求。检测单位提供了该灯测试合格的正式测试报告。

　　3.2.2 谐波电流测量

　　根据GB 17625.1-2003的要求应在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，即在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量，以下是5种情况下的测试数据，参见图15 ～图19。

　　

 

　　图15 100%功率条件下测试各谐波分量

　　

 

　　图16 80%功率条件下测试各谐波分量

　　

 

　　图17 60%功率条件下测试各谐波分量

　　

 

　　图18 40%功率条件下测试各谐波分量

　　

 

　　图19 20%功率条件下测试各谐波分量

根据以上测试数据，5#灯具的谐波电流全部达到GB17625.1-2003的要求，在5种功率测试过程中11次谐波相对较大，但都在限值以下。且此灯电流波形畸变相对较小。参见图20。

 

 

　　

 

　　图20 5#灯具的电流波形

　　3.3 3#灯具测试结果

　　3.3.1 无线电骚扰特性测量

　　灯具的电源端频率为9 kHz ～ 30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)。参了图21。

　　

 

　　图21 电源端频率为9 kHz ～30 MHz范围内传导骚扰电压(准峰值)

　　从以上数据表明3#灯具在631.5 kHz和771 kHz处的骚扰电压超过了GB 17743-2007的限值。

　　3.3.2 谐波电流测量

　　该灯在满功率(50 W)的条件下进行了谐波测试，测试结果如表3。

　　表3 3#灯具在满功率(50 W)条件下谐波测试的结果

　　

 

　　从表3 中可知绝大多数的谐波电流都超过了GB17625.1-2003的规定，表中的“Fail”即表示不合格。此外，该灯的功率因数特别低，只有0.455。

　　注： 该灯仅在满功率情况下测试， 未按G B17625.1-2003的要求在最小功率和最大功率之间分为5个相等的级段，即没有在20%、40%、60%、80%和100%功率条件下测试各谐波分量。

　　4 结论与建议

　　4.1 结论

　　LED灯具工作时会产生一定程度的无线电骚扰和谐波，但只要在灯具中配置电磁兼容性能优质的电源装置，电磁干扰可以控制在标准许可的范围内，符合相关标准的灯具不会影响演播室和舞台其他设备的正常工作。