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。經過此次修訂，LED燈泡也成為了該法規的適用對象。在幾項限制標準中，尤其引人關注的是關于電磁噪聲強度的限制。目前市場上出現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，必須采取嚴格的噪聲對策。本文將根據LED照明的現狀，就LED照明的噪聲種類、測評方法以及對策事例進行分析。

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能產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，新涉足廠商的產品也開始在家居用品店以低價銷售，LED燈泡市場正在迅速擴大。

與此同時，標準化及法規導入等旨在實現LED燈泡普及的環境也正在建立之中。此前，LED燈泡不在《電氣用品安全法》的適用對象之內。因此，有些LED照明產品的電磁噪聲較大。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的接收障礙。

白熾燈泡是內部沒有電源電路的電阻性負載，因此不存在這類電磁噪聲問題。但換成LED燈泡后問題就凸現出來了。如果就這樣推進LED照明的普及，家中會出現多處噪聲源。

因此在海外，LED照明器具與普通照明器具一樣，都要符合國際標準CISPR15（《電氣照明和類似設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準的限制規定。

日本也將開始啟用這種限制規定。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。其中還包括關于噪聲強度的規定（預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照明市場的擴大，與其他電子產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格，因此需要用最少的元件實施電磁噪聲對策。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）標準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”和流經電源線的“傳導噪聲（噪聲端子電壓）”（圖1）。噪聲電流中同時存在“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規定中定義了輻射噪聲和傳導噪聲兩種電磁噪聲的測量，LED燈泡也不例外。有的LED燈泡產品的噪聲超過了CISPR15的規定值（準峰值：QP和平均值：AV）。

輻射噪聲的主要成分是共模噪聲（圖2（a））。這是因為，該噪聲的電流環路面積要遠遠大于差模噪聲的電流環路面積。

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）

而在傳導噪聲中能觀測到差模和共模兩種成分（圖2（b））。如果是傳導噪聲，需要在掌握噪聲成分特點的基礎上，根據其特點采取對策。首先來介紹一下抑制傳導噪聲的方法。

區分電源的噪聲模式

傳導噪聲的測量，一般利用V型人工電源網絡，針對電源線1（L1）和電源線2（L2）各自的電磁噪聲，測量準峰值*（QP值）和平均值（AV值，圖3（a））。利用V型人工電源網絡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型人工電源網絡測量

在傳導噪聲的測量中，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型人工電源網絡測量準峰值和平均值（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型人工電源網絡，便于分辨噪聲模式的種類（b）。該電源網絡可根據噪聲模式（Sym：差模，ASym：共模）測量其頻率特性。

*準峰值：對電磁噪聲等進行檢波時，用擴大了檢波器時間常數的檢波方式測量的值。是最大值和平均值之間的值。電磁噪聲的準峰值較大時，容易引起收音機接收障礙。與相同接收靈敏度的相關關系要比峰值強。

但如果采用“Δ型人工電源網絡”便可判斷噪聲模式的種類（圖3（b））。該電路網可以測量傳導噪聲中各噪聲模式的頻率特性。

這種頻率特性因產品類型而異。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：噪聲成分因產品而異

電子產品的種類變了，噪聲成分的構成也會變化。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，為何不同產品的傳導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

傳導噪聲的測量在屏蔽室內進行。測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等標準規定。兩種標準中規定，屏蔽室的基準面與被測物體的距離要保持在0.4m，連接人工電源網絡和被測物體的電線長度為0.8m，被測物體設置在高0.8m的臺子上（圖5）。

圖5：傳導噪聲的測量在屏蔽室內進行

本圖為傳導噪聲的測量情形。該測量的屏蔽室內進行。具體的測量條件由“CISPR16-2”或“ANSI63-4”等規格規定。

此時，共模噪聲會通過屏蔽室內壁（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，分別計算出了通過人工電源網絡觀察被測物體時的阻抗（圖6）。

圖6：噪聲模式取決于產品尺寸

利用尺寸各異的4種對象物進行了電磁場解析模擬，計算出了從人工電源網絡觀察被測物體時的共模阻抗（a）。根據結果可知，形狀越大，屏蔽室基準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種對象物的結果可知，形狀越大，屏蔽室內壁與被測物體之間的分布電容越大。也就是說，產品尺寸越大，共模路徑的阻抗越低，共模噪聲的電流越容易流動，該噪聲成分就越容易變大。