LED灯具的抗电磁干扰设计

近年来，大功率LED照明技术快速发展，由于LED光源具有节能环保、寿命长等优点，符合“节能减排”、“低碳经济”的理念和世界发展的大趋势，因此，在各个照明领域都得到广泛的重视和应用。在舞台和影视照明方面，更由于LED灯具能应用色彩加法原理无光损地获得各种色彩、调光性能好、能瞬间启动等优点倍受青睐。

中央电视台在新台址的建设中希望其演播室能推广应用LED照明，特组织了各方面的专家，于2009年12月成立了《LED照明灯具在电视演播室应用研究》课题组，对LED灯具在演播室应用进行全方位的研究，为LED灯具在电视台演播室全面推广提供科学依据。笔者有幸参加了课题组，并承担了LED灯具对演播室电磁干扰方面的研究工作，本文是在该课题研究的基础上写成的。

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。

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

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。

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。