De flesta är överens om att framtidens lampor baseras på LED-teknik. Men det är långtifrån enkelt att få ner störningarna från de inbyggda spänningsomvandlarna till en rimlig nivå. Arnoldas Bagdonas från Future Electronics beskriver här olika sätt att lösa störningsproblemet utan att kostnaden blir alltför hög.

Kompromisser och tillfälliga lösningar som används i syfte att uppfylla kraven för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) har tidigare påtagligt försämrat tillförlitligheten och effektiviteten hos kretsen i en LED-ljuskälla och dessutom ökat den totala produktionskostnaden. Nu kan emellertid nya teknologier drastiskt minska graden av systemkonstruktörens EMC-problem och underlätta för tillverkare av LED-ljuskällor att uppnå en bättre balans mellan EMC-kapacitet, materialkostnader och produktionskostnader. Den här artikeln ger en introduktion till funktion, fördelar och nackdelar hos dessa nya komponenter.

Fig 1. En vanlig AC/DC-LED-drivkrets blir H-fältet ett resultat av lindningsläckage, den primära slingan och den sekundära slingan. E-fältet är resultatet av hög dV/dt på ledande ytor och av högfrekvent pulsation i kablar. [Källa: "Understanding noise-spreading techniques and their effects in switch-mode power supplies", av John Rice, Dirk Gehrke och Mike Segal från Texas Instruments.]

Ett typexempel på en strömkrets för en LED-ljuskälla som använder konventionella strömkomponenter framgår av fig 1. Omfattande strålningsemissioner medför normalt att konstruktören skärmar hela höljet. I praktiken ökar detta dock den parasitiska kapacitansen mellan den (nu större) ledande ytan, dvs höljet och dess skärmning, och referensjorden hos EMC-mätutrustningen. Asymmetrisk ledningsbunden störning blir då ett så stort fenomen att det kräver uppmärksamhet. Även om ett EMI-filter till låg kostnad eliminerar det här problemet har författaren sett utformningar där inte ens dessa motåtgärder är tillräckliga, eftersom emissioner med högre frekvens som utstrålas av nätkabeln finns kvar och måste blockeras av ett dyrare filter med högre dämpning.

Undvik emissioner
Man må ursäkta om konstruktören anser att det här botemedlet inte är bättre än själva sjukdomen: för att hantera EMC-problemet måste ljuskällans tillverkare utöka materiallistan och höja produktionskostnaderna samt även öka antalet komponenter vilket leder till en större krets och en större slutprodukt.

Fig 2. Utvecklingen av komponenter för AC/DC-LED-drivkretsar
RC = resonansomvandlare, QR = kvasi-resonansomvandlare, PFC = effektfaktorstyrenhet, CC = konstantströmsstyrning, CV = konstantspänningsstyrning CCM = kontinuerlig strömmod, CRM = kritisk strömmod

Orsaken till problemet i LED-ljuskällor är nätanslutningens switchning, vilket skapar bredbandiga ström- och/eller spänningsrippel. Skärmning och filtrering kan lindra emissionsproblemen men eliminerar dem inte. En bättre lösning skulle vara att från början undvika att höga emissioner genereras vid vissa frekvenser – och det är nu möjligt tack vare användning av nya effektkomponenter som använder mjuk switchning för att minimera rippelströmmar eller genom att sprida brusenergin över ett brett frekvensband.
Fig 2 visar att det i huvudsak finns fem arkitekturer som används idag, var och en anpassad till olika uteffekter. Var och en av dessa LED-drivkretstopologier gör det möjligt för konstruktören att följa de strikta kraven i dagens EMC-bestämmelser.
Även om fig 2 indikerar det effektområde där varje topologi oftast används bör det noteras att alla kan anpassas för användning i ett högre eller lägre uteffektsområde.

Tre lägen
PFC är det vanligaste blocket i moderna AC/DC-LED-drivkretsar. En boost-omvandlare placeras mellan brygglikriktaren och huvudingångskondensatorerna. Den här regulatorn kan arbeta i tre lägen. I DCM-läge (diskontinuerlig strömmod) är den energi som lagras i induktorn (L) under switchens ledningsintervall endast lika stor som den energi som krävs av lasten för en switchningscykel (se fig 3). Energin i induktorn faller till noll före slutet av varje switchningscykel vilket resulterar i en period utan energiflöde, eller diskontinuerlig drift.

Fig 3. Toppström och medelström i induktorn (IL) i a) diskontinuerlig strömmod b) överföringsmod och c) kontinuerlig strömmod

I överföringsmod (TM) – även kallat randströmmod (BCM) eller kritisk strömmod (CRM) arbetar omvandlaren på gränsen mellan DCM and CCM och minskar väntetiden för DCM till nära noll.
I CCM har induktorn kontinuerlig ström när omvandlaren arbetar. Den extra energi som lagras i induktorn under switchens ledningstid är lika stor som den energi som urladdas till uteffekt under switchens icke-ledningstid. Vid slutet av urladdningsintervallet stannar restenergi kvar i induktorn. Under nästa ledningsintervall hos switchen byggs energin upp från restnivån till den som krävs av lasten för nästa switchningscykel.
CCM har ett lägre topp-till-medelströmsförhållande och har därför lägre rippelströmmar, lägre spollednings- och kärnförluster samt lägre elektromagnetiska emissionsnivåer. Nackdelen är att det krävs en mycket snabb boost-diod (annars börjar diodåtergångsströmmen dominera vilket leder till ökade effektförluster och ytterligare elektromagnetiska emissioner). Tyvärr krävs även hård MOSFET-switchning vilket resulterar i höga switchningsförluster, och dessa är huvudkällan till elektromagnetiska emissioner i ett CCM-system.

Billig diod
Den största fördelen med TM eller DCM är frånvaron av efterledning i boost-dioden vilket innebär att kretsen kan använda en lågkostnadsdiod med en låg framspänning. Å andra sidan kan kostnaden för filter som ska blockera de elektromagnetiska emissionerna som genereras vid höga toppströmmar bli mycket hög – beroende på kretskortets layout och storleken på lasten.

Fig 4. Resonansomvandlarkrets i a) nollspänningsswitchningsläge när fsw > fLC och en fördröjning mellan Q1 och Q2 kommutering introduceras. I annat fall arbetar kretsen i (b) hårt switchningsläge.

Nya komponenter i LED-drivkretsens andra DC/DC-läge (se fig 4) erbjuder också nya sätt att minska elektromagnetiska emissioner. De innehåller ofta "resonanta" LC-nätverk där spänningens och strömmens vågformer varierar sinusformat, vilket minskar eller eliminerar viss switchningsförlust. Det innebär att resonansomvandlare kan arbeta vid högre switchningsfrekvenser än jämförbara PWM-omvandlare, vilket leder till mindre värden och kostnader för induktorer och kondensatorer vid konstruktion av högeffektsomvandlare. Dessutom minskar nollspänningsswitchning omvandlargenererad EMI eftersom det inte finns någon ström- eller spänningsrippel under switchkommutering.

Kvasiresonans
Resonansomvandlare har dock flera nackdelar. Kapaciteten kan optimeras vid en enskild arbetspunkt, men inte över ett stort omfång inspännings- och lasteffektsvariationer. Dessutom visar de kvasi-sinusformade vågformerna i en resonansomvandlare högre toppvärden än deras motsvarande rektangulära vågformer. Utöver detta kan strömmen cirkulera genom cellelementen även när lasten är frånkopplad vilket leder till dålig effekt vid lätt last.
En liknande switchningsteknik används idag ofta i lågenergi-LED-drivkretsar där en topologi med kvasiresonans eller dalswitchning är implementerad. För att starta stegras strömmen IQ1 tills önskad energinivå har nåtts i spole L (se fig 5). Därefter stängs transistorn Q1 av. När switchningstransienten är slutförd och spolströmmen är noll börjar kollektorspänningen att oscillera runt inspänningsnivå VDC. Amplituden är lika med V0. Kretssystemet som är anslutet till kollektor Q1 känner av när spänningen på transistorns kollektor har nått sitt lägsta värde. Därefter startas nästa cykel.

Fig 5. Funktion hos en kvasi-resonant nollspänningsswitchningskrets

Effekten av den här topologin är att reducera kapacitiva switchningsförluster och elektromagnetiska emissioner. Å andra sidan har en kvasi-resonansomvandlare samma nackdelar som en resonansomvandlare, enligt vad som beskrivs ovan.

Smalt frekvensband
I den här artikeln beskrivs funktionen hos några strömkretstopologier som producerar relativt låga nivåer av elektromagnetiska emissioner. För vissa topologier, till exempel strömförsörjning som använder PFC i CCM-läge och enkla flyback-omvandlare, kan dock EMC-kraven vara svåra att uppfylla. Det beror i dessa fall inte på för mycket totalt brus över spektrumet utan på koncentrerad energi i ett smalt frekvensband. EMC kan följaktligen uppnås genom att elektromagnetiskt brus från hårda switchningsoperationer sprids över en större bandbredd. Detta kan åstadkommas genom modulering med fast frekvens eller slumpmodulering.
EMC-standarder för ledningsbundna emissioner anger normalt toppenergigränser i frekvensbandet från 150 kHz till 30 MHz. Även om noggrant utvald modulering med fast frekvens, som framgår av fig 6, kan vara effektiv när det gäller att sprida harmoniskt innehåll är nackdelen att det i vissa fall inte ger tillräcklig dämpning av grunden.

Fig 6. Krets med fast frekvens-dithering

Ny forskning (se ref 1) visar emellertid att modulering vid en fast frekvens inte är lika effektiv vad gäller att reducera toppenergin i grunden som modulering av bärvågen med en komplex, slumpmässig eller pseudo-slumpmässig vågform (se fig 7).

Många lösningar
Som framgår av den här artikeln finns det många arkitekturer och kretsutformningar tillgängliga för konstruktörer av LED-ljuskällor, och det är omöjligt att rekommendera någon som är att föredra framför andra för varje slutprodukt. Tillverkare av mikroprocessorer har börjat publicera referenskonstruktioner för programimplementeringar av topologier såsom flyback-omvandlare, PFC och resonansomvandlare. Genom att använda billiga mikroprocessorer och flera MOSFET-transistorer och dioder med hög spänning är det nu möjligt att bygga en generisk strömförsörjningskonstruktion som kan skalas för att passa olika effektkrav. För en erfaren tekniker kan detta vara det bästa tillvägagångssättet.

Fig 7. Krets med frekvenshoppning för slumpmodulering av elektromagnetiska emissioner

I allmänhet måste dock konstruktörer bygga upp en förståelse för hur kretsen fungerar, om vilka kriterier som ska användas vid val av ett PFC-läge, om rätt sätt att utforma det andra DC-DC-steget och om hur spridningsspektrumtekniker ska implementeras.
Den kanske viktigaste läxan att lära erfarenhetsmässigt är vikten av att prova prototyper vad gäller EMC innan förproduktionen startas. Vid förproduktionssteget är det för sent – och om det inte är för sent, åtminstone oerhört kostsamt – att byta utrustning för metallgjutning och formgjutning av plast eller att ändra element i PCB-konstruktionen såsom dess kontur, kontaktplacering eller jordpunkter. Det är just dessa element som kan göra skillnaden mellan att en produkt godkänns eller underkänns vid EMC-provningen.
Enligt den här författarens åsikt bör alltså mycket mer tid ägnas åt testning av prototyper än vad som normalt är fallet idag. Genom att konstruera med tanke på låga elektromagnetiska emissioner, testa på ett tidigt stadium och modifiera prototyperna utifrån detta kan god EMC-kapacitet uppnås utan dyra och otillfredsställande, tillfälliga lösningar såsom skärmning och filtrering som krånglar till konventionella LED-drivkretskonstruktioner.
Arnoldas Bagdonas, FAE, Future Electronics (Litauen)

Referens:
[1] D.A. Stone, B. Chambers och D. Howe, "Easing EMC problems in switched mode
power converters by random modulation of the PWM carrier frequency", institutionen för
elektronik och elektroteknik, University of Sheffield, Storbritannien.

Filed under: Opto