荧光灯电子镇流器的EMI滤波器设计

董海滨

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

1 引言

电磁干扰 (即EMI)造成的电磁污染是继大气污染、水污染和噪声污染后的第四大污染，威胁电子电气设备安全运行和威胁人类健康和社会生活，所以研究电子镇流器的EMI滤波电路，使其符合国家标准CISPR15—2007，具有重大的现实意义和应用价值。

2 电子镇流器的基本组成

一个基本的电子镇流器的框图如图1所示，包含EMI滤波电路，整流电路，滤波电路，功率因数校正电路，半桥逆变电路和自启动电路，灯负载等部分。

图1 基本的电子镇流器框图

图1中第一部分为EMI滤波电路，主要抑制因传导和辐射所引起的EMI干扰。就电子镇流器而言，电磁兼容问题主要是防止它的高频信号通过电源线传导出去，干扰其他电气设备的正常工作;而其他的电器设备一般情况下不会对电子镇流器的正常工作 (强烈的电磁干扰如雷电除外)造成干扰。

3 电子镇流器的传导干扰来源

电子镇流器工作时产生的电磁噪声通过输入电源线传导到电网中，引起传导干扰，对周围的电磁环境造成污染，并影响该环境中其他电子设备或系统的正常工作。电子镇流器的电磁干扰主要来自以下几个方面:

(1)元器件的固有噪声，包括热噪声，散粒噪声，接触噪声。

(2)半导体二极管在开关过程中产生的电磁噪声。在快速开通和关断的同时，瞬时变化的电压和电流，会形成很强的电磁噪声。

(3)功率半导体器件在开关过程中，会产生很大的瞬态电压或电流并引起寄生振荡。开关频率越高，开关电流越大，所引起的瞬态电磁噪声也越大。功率半导体器件在交流电网上产生的传导干扰，是传导干扰的主要来源，这种噪声分差模与共模。

(4)在采用高频泵或双泵电路的无源功率因数校正电路中，功率开关管的高频开关信号通过反馈元件加到输入端，经过电源进线送入电网中，形成传导干扰。

4 电气照明设备EMI标准及限值

根据CISPR15—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》的要求，在不同频率下的电磁干扰的准峰值和平均值如表1所示，要求镇流器的传导干扰低于表1的值。

表1 电源端子骚扰电压限值

基于实验室之间的差异和样品之间的差异，设计样品的电磁干扰要保留6dB的富裕量，确保量产的所有产品都能满足传导干扰的要求。

5 电子镇流器的EMI抑制技术

滤波、屏蔽与接地是电磁兼容性设计通用的三种方法，滤波与接地主要是针对电路中的传导干扰而言;屏蔽主要是针对电路的辐射干扰。滤波是抑制电路传导干扰的最有效和最经济的方法。由于各种干扰在系统的入口处最为严重，所以EMI滤波器均插入系统或电源端的接口处。

电子镇流器采用的EMI滤波器类型有C型 (一个电容)，L型 (一个电感和一个电容)，T型 (两个电感和一个电器)，π型 (一个电感和两个电容)，双π型 (一个共模电感和两个电容)和混合型等几种，如图2所示。在电子镇流器中采用图2(b)和 (d)所示的混合结构，或在双π型结构中再加一级共模电感。

图2 EMI滤波器类型

图2(a)所示的纯电容滤波器为低通滤波器，主要应用于滤除高阻抗线路上的高频信号，电容值一般选定为0.1至0.5μF。

图2(b)所示为 L型滤波器，主要在电路和负载电阻值有很大的差异时的情况下适用，在荧光灯电子镇流器电路中使用时，其L值一般设定为不低于1mH，C值一般设定在0.1μF左右。

图2(c)所示为π型滤波器，主要是在输入电阻与输出电阻大致相等并且带外衰减需要很大的情况下适用。

图2(d)所示为双π型滤波器，比较广泛的在电子镇流器电路中应用，其中 L1和 L2的绕线组是在同一个磁芯上对称的绕成。

图2(e)所示为复合型滤波器，较为普遍使用在30W以上的电子镇流器电路中。

采用滤波电路后，能有效的滤除电子镇流器中高频振荡所产生的共模和差模干扰，避免它们通过电源线泄漏出去，干扰其他电气设备的正常工作。

在选择EMI滤波器元件时，应保证使滤波器的谐振频率远低于电子镇流器的工作频率，以防止磁饱和，失去滤波器的作用。

6 电子镇流器的EMI滤波电路

电子镇流器常用的滤波电路如图3所示。一般来说，对9k～150kHz低频段采用差模滤波器比较有效，而对150kHz～30MHz的高频段采用共模滤波器比较有效，有时一级共模滤波器不够，还要采用两级共模滤波器才可以。

图3 滤波电路

7 滤波电路设计

在设计电子镇流器的EMI滤波器时，除了对滤波效果有所要求外，还要考虑经济和成本问题。在满足EMC测试要求的前提下，使电路结构最经济，占用空间最小，同时在性能上要有一定的富裕量，达到满意的性价比。

EMI以传导和辐射两种方式传播。能量通过磁场或电场耦合，或以干扰源与受扰设备间的电磁波形式传播，称为辐射干扰。传导干扰是指EMI能量通过电源线，数据线，公共地线等产生或接收。

电子镇流器的传导干扰方式可分为两类:即共模干扰 (CM)和差模干扰 (DM)。共模干扰是指相线L以及中线N与地GND之间存在相位相同，幅度相等的干扰信号。差模干扰是指在相线L与中线N之间存在幅度相等，相位相反的干扰信号。前一类来自电磁空间辐射，分布电容的寄生耦合，漏磁感应，即同一干扰源通过寄生参数耦合到相线和中线上，它对每一根电源线的作用基本上是相同的，因而所产生的干扰电压是共模的。

电子镇流器的外壳如果是塑料的，其分布电容效应较小，电路前后级之间的耦合小，所以产生的共模干扰较小，比较容易通过EMI测试;如果采用金属外壳，由于元器件和外壳之间存在分布电容，前后级之间存在一定的耦合，不容易通过测试。一个实际的工程例子如图4所示。

电子镇流器的工作频率也是影响EMI的一个关键因素，镇流器的工作频率越低，EMI测试越容易通过EMI测试;反之，则不容易通过测试。一个实际的例子如图5所示。

图4 实际的工程例子

图5 实际的例子

为了了解差模滤波器与共模滤波器对抑制干扰的作用，可以把电子镇流器EMI的测试的频率范围从9kHz到30MHz分为低，中，高三个频段，即9～150kHz，150kHz～2.0MHz，2.0～30MHz三段。

(1)低频段9～150kHz

这个频段的干扰主要以差模干扰为主，加大差模电容Cd的容量，或在相线中线串接共模电感，干扰幅度也会降低，而且随着频率的增加，共模干扰的影响越来越严重。如在电子镇流器中，再加一级共模电感，这个频段中的干扰都将大幅降低。

(2)中频段150kHz～2MHz

这个频段同时存在差模干扰和共模干扰，但以共模干扰为主。为了消除中频段的干扰，可以改变共模电感的电感量或两个共模电感的电感量的相对大小。

(3)高频段2.0～30MHz

这个频段存在的干扰主要是共模干扰，差模干扰的影响较小。如果这个频段的EMI测试不能满足要求，要从改善共模滤波器的滤波效果来想办法。

本文所研究的电路是带有高频反馈的电子镇流器电路，整个系统由EMI滤波电路，整流电路，滤波电路，功率因数校正电路，控制电路，灯谐振电路和保护电路等六部分组成。

EMI滤波电路由混合型滤波电路构成，包括差模电感L1，差模电容C01，C02和共模电感 L2组成，可以有效的抑制电路中存在的共模和差模干扰。

整流滤波电路由四个整流二极管 PGR10J、CBUF(C2，C3)和反馈电容C1组成，它能将220V交流输入整流滤波为310V(2 2 0槡 2)左右的DC电压。输入端的FUSE为250mA的电流保险丝，主要用于在异常情况下的过电流保护。控制电路由UBA2211组成，主要实现对灯丝的预热、点火和稳定运行时电流的控制。谐振电路由C6和L3组成，主要为灯丝点火提供高压脉冲，如图6所示:

图6 谐振电路

图7 是其传导干扰的谱图。从图中可看到，该电路的 EMI传导测试中在150kHz-1MHz处超标(－34.0dB)。

根据电路的拓扑结构和产品要符合的EMC要求，对电路中存在的差模和共模干扰，我们采用混合型的EMI滤波电路。

在图8中，C01，C02和L1，L2等组成LC电磁干扰的滤波电路。两个电容一般取0.01～0.33uF，共模电感 L1一般取30～60mH，差模电感 L2取1～6mH。

图7 传导干扰的谱图

图8 滤波电路

本电路中，选取C01=330nF，C02=100nF，L1=5.6mH，L2=60mH为EMI滤波器的参数，可以得到明显的EMI效果改善 (+10.5dB富裕量)，如图9所示。

图9 EMI滤波器参数图

8 总结

本文针对T5荧光灯电子镇流器存在的传导干扰，分析了产生传导干扰的原因以及共模抑制滤波电路和差模抑制电路在电子镇流器传导干扰中的应用，针对具体的28W电路的干扰提出了抑制方法。实践证明滤波是一个比较理想又比较经济的抑制方法。所使用的元器件主要为电感、电容、电阻等普通的电子元器件。滤波器调试的重点在于参数的匹配。只要调试得当，其抑制干扰的性能是比较好的。电子元器件的性能直接影响着电路的电磁兼容性。随着电子元器件材料的不断发展，传统的滤波、屏蔽技术应有新的发展。

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