LED照明产品的EMC问题和检测技术

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充慰暨
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1 LED 照明产品的 EMC 检测技术探讨 Discussion of EMC tests for LED lighting products 杭州远方仪器有限公司 EVERFINE INSTRUMENT CO.,LTD EMC& 电子测量研究所 Institute of EMC&Electronic Measurement 摘要 : 介绍了 LED 照明产品国际相关电磁兼容 (EMC) 标准, 将 LED 照明产品 EMC 测试项目分为电磁干扰 (EMI) 电磁敏感性(EMS) 电磁场辐射(EMF) 三大类, 列举了所有 EMC 测试项目的主要测试内容主要测试设备及测试环境并着重阐述了谐波电流发射测试静电放电抗扰度测试浪涌冲击抗扰度测试这三项 EMC 检测技术 Abstract:This paper introduces the international standards of electromagnetic compatibility (EMC) of LED lighting products and lists the test contents, main equipments and test environments. In this paper, we classify all test items into three categories which are electromagnetic interference (EMI) test, electromagnetic sensitivity (EMS) test and electromagnetic field (EMF) test, and discuss harmonic current emission test, electrostatic discharge immunity test and surge immunity test at length. 0. 引言 LED 凭借自身高光效长寿命节能环保等显著优势在照明行业中呈现出强劲势头, 广泛应用于交通灯路灯景观照明隧道照明等众多领域, 伴随国家各类扶植政策相继出台, 国内涌现出大批 LED 照明产品制造厂商但是 LED 照明产品质量良莠不齐, 在一定程度上影响了 LED 照明产品的推广据某质监局针对 LED 灯的一次质量专项抽查, 不合格率达到 73.9%, 其中不合格项主要集中在谐波电流浪涌冲击骚扰电压等电磁兼容测试项目电磁兼容性 (EMC) 是影响 LED 照明产品可靠性的重要因素 1.EMC 测试标准目前, 国际上尚无针对 LED 照明产品专用的 EMC 标准, 目前的作法是根据 LED 照明产品应用的领域, 参考执行相关标准如车用 LED 照明产品应参照 CISPR25 用于保护车辆接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法 ISO 道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰沿电源线的瞬态传导 ISO11452 道路车辆用窄带发射的电磁能量进行电磁干扰部件试验方法等标准执行 EMC 测试, 这部分内容本文不作讨论本文探讨的重点是一般用途 LED 照明产品 ( 除车用照明航空照明影印机幻灯机投影仪等专用 LED 照明设备 ) 的 EMC 测试标准, 具体如表 1 所示

2 表 1 LED 照明产品的 EMC 测试标准标准号 CISPR15 EN GB J AS/N2S CISPR15 IEC EN GB/T IEC EN IEC EN GB 标准名称 Limits and methods of mearurement of radio disturbance characteristics of electrical lighting and similar equipment 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 Equipment for general lighting purpose - EMC immunity requirements 一般照明用设备的电磁兼容抗扰度要求 Assessment of lighting equipment related to human exposure to electromagnetic fields 人体暴露于照明设备电磁辐射的评估 Electromagnetic compatibility(emc)-part3-2:limits-limits for harmonic current emissions(equipment input current 16 A per phase) 电磁兼容限值谐波电流发射限值 ( 设备每相输入电流 16A) Electromagnetic compatibility(emc)-part3-3:limits-limitation of IEC EN GB voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current 16 A per phase and not subject to conditional connection 电磁兼容限值对每相额定电流 16A 且无条件接入的设备在公用低压供电系统中产生的电压变化电压波动和闪烁的限制 2.EMC 测试项目 LED 照明产品的 EMC 测试项目可以分为电磁干扰 (EMI) 电磁敏感度(EMS) 电磁场辐射 (EMF) 三大类 EMI(Electromagnetic Interference) 即电磁干扰测试, 是测试 LED 照明产品产生的可能引起其它事物 ( 包括设备系统人及动植物 ) 性能降低或产生损害的电磁骚扰 EMS(Electromagnetic Susceptibility) 即电磁敏感性 ( 抗扰度 ) 测试, 是测试 LED 照明产品对电磁骚扰如雷击 ESD 等电磁现象的抗扰能力 EMF(Electromagnetic Fields) 即电磁场辐射测试是评估 LED 照明产品产生的空间电磁场对人体辐射影响, 确保人身安全表 2 LED 照明产品的 EMC 测试项目 EMI 测试项目主要测试内容主要测试设备测试环境传导骚扰 9kHz~30MHz,QP/AV 接收机人工电源网络电压探头屏蔽室辐射骚扰 ( 磁感应电流 ) 9kHz~30MHz,QP 接收机三环天线屏蔽室辐射骚扰 ( 电场 ) 30MHz~300MHz,QP 接收机接收天线电波暗室

3 纯净交流电源谐波闪烁分析无特殊要谐波电流依据 IEC 仪求纯净交流电源谐波闪烁分析无特殊要电压波动及闪烁依据 IEC 仪求 EMS 测试项目主要测试内容主要测试设备测试环境射频传导抗扰度 150kHz~80MHz, 测试电平 3V 一体化射频传导抗扰度系统 CDN 屏蔽室 80MHz~1GHz, 射频信号源功率放大器发射频辐射抗扰度电波暗室测试场强 3V/m 射天线功率计场强计接触放电 ±4kV 无特殊要静电放电抗扰度静电放电发生器空气放电 ±8kV 求电快速瞬变脉冲群重复频率 5kHz 无特殊要群脉冲发生器抗扰度最高测试电平 ±1kV 求 1.2/50μs 无特殊要浪涌冲击抗扰度雷击浪涌发生器最高测试电平 ±2kV 求无特殊要工频磁场抗扰度 50/60Hz, 测试场强 3A/m 工频磁场发生器求电压暂降短时中 0%U T, 持续 0.5 周期无特殊要断和电压变化的抗电压跌落发生器 70%U T, 持续 10 周期求扰度 EMF 测试项目主要测试内容主要测试设备测试环境接收机 Van der hoofden 无特殊要感应电流密度 20kHz~10MHz 测试头求表 2 列举了 LED 照明产品的 EMC 测试项目包括主要测试内容主要测试设备测试环境以下将着重讨论谐波电流静电放电浪涌冲击这三方面测试内容 2.1 谐波电流 LED 照明产品接入电网工作时会产生谐波, 对电网构成污染它不仅使同一电网中其他用电设备受到干扰产生故障, 还会使电网的中线电流超载, 影响输电能力谐波电流在低压电网上可能引发的常见问题有电压畸变过零噪声中线过热断路器误动作集肤效应等某公司技术人员在安装 LED 灯的过程中严格按照规范操作, 且线路上有完善的过流保护, 但是运行不久却发生火灾, 经调查, 这起事故直接原因就是谐波电流过大, 致使三相电零线 ( 零线截面为相线的 50%) 严重过载致线路着火, 酿成火灾为限制 LED 照明产品的电流谐波发射, 须严格按照标准 IEC /GB : 电磁兼容限值谐波电流发射限值 ( 设备每相输入电流 16A) 进行测试谐波电流测试系统框图如图 1 所示, 它由纯净交流电源和具有快速傅里叶分析功能的分析仪器组成其中, S 为供电电源, 采用了杭州远方仪器有限公司出品的 DPS 系列交流测试专用电源, 其电压稳定度 0.2%,2~40 次谐波符合 IEC 标准要求 ;M 为测试设备, 采用杭州远方仪器有限公司出品的 PF210A 数字功率计, 其基频精度达到 0.15%, 可分析 2~50 次各次谐波的

4 有效值和相对值 ;EUT 为被测物, 即 LED 照明产品 ;In 表示电流的 n 次谐波分量 ;U 为试验电压图 1 谐波电流测试系统示意图按照上述测试方法, 某 LED 灯串的电流谐波的实测波形如图 2 所示, 图 2 上方曲线表示奇次谐波的幅值, 以标准限值的百分比表示 ; 图 2 下方曲线表示输入电压和电流波形, 其中, 正弦曲线为输入电压波形, 不规则曲线为输入电流波形图 2 某 LED 灯串谐波电流实测波形由图 2 上方曲线可以看出, 该 LED 灯串 3 次谐波超标, 最大谐波超过 160%; 由图 2 下方曲线可以看出, 电压周期内部分时间没有电流出现, 即出现了电流死角, 电流呈现非正弦的周期性脉冲波电流死角的出现是因为二极管或可控硅的器件存在导通角, 这种非线性的电能转换会引入大量谐波 2.2 静电放电 LED 属于半导体器件, 在 LED 制造装配运输存储使用各阶段中, 生产设备材料和操作者都可能给 LED 带来静电损失, 导致 LED 过早出现漏电流增大光衰加重, 甚至死灯现象静电放电对 LED 的电光参数包括反向漏电流正向 I-V 特性光通量均会造成一定程度的劣化静电放电是影响 LED 及 LED 照明产品可靠性的重要因素之一

5 LED 是 LED 照明产品的关键材料对于 LED 的静电放电抗扰度测试, 应遵循相关国际标准如美国国家标准 ANSI/ESD STM5.1 ANSI/ESD STM5.2, 国际电子电工协会标准 JESD22-A114D JESD22-A115-A, 美国军方标准 MIL-STD-883 等采用专业的测试方法和测试设备杭州远方仪器有限公司出品的 ESD-1000 LED 静电分析测试系统 ( 见图 3) 专门针对 LED 静电敏感等级判定要求及特点而设计, 采用机器模式 (MM) 及人体模式 (HBM) 静电放电试验, 静电放电电压最高可达 30kV;LED 电压电流测量准确度可达 0.2%;LED 正向电压分辨率 1mV; 反向漏电流分辨率 0.01μA 图 4 是采用该套系统测试的某 LED 样品在 MM 静电放电下反向 I-V 特性变化的趋势, 从图中可以看到随着静电电压的升高, 样品逐渐呈现漏电流增大趋势在 -200V MM 静电击打后, 反向电压为 5V 时的漏电流由初始的 1.02 μa 增大为 47 μa, 该样品已失效图 3 LED 静电分析测试系统图 4 某 LED 样品在不同 MM 静电电压下的反向 I-V 特性对于 LED 照明产品而言, 其整体的静电放电抗扰度测试须按照 GB/T /IEC 进行接触放电是首选的测试方法, 对 LED 照明产品机壳上每个可触及的金属部件 ( 不包括接线端 ) 进行 20 次连续放电, 正负极性各 10 次在无法进行接触放电的部位可使用空气放电间接放电应根据 GB/T 的规定施加于水平或垂直耦合板

上为确保测试结果的重复性和一致性, 静电放电试验必须按照 GB/T17626.2 第 7 章节内容规范布置 2.

6 上为确保测试结果的重复性和一致性, 静电放电试验必须按照 GB/T 第 7 章节内容规范布置 2.3 浪涌冲击雷击是很普遍的气候现象, 据统计, 全世界有 4 万多个雷暴中心, 每天有 8 百万次雷击, 这意味着每秒钟有 100 次左右的雷击发生雷电击中附近地面或邻近物体, 在其周围产生强大的电磁场, 线路上会感应高电压大电流另外一方面, 在电力系统中浪涌也是一种非常普遍的现象如主电源系统切换设备接地网或接地系统间的短路和飞弧故障等等 LED 照明产品尤其是户外照明产品如果不重视雷击浪涌方面的保护, 会严重影响产品可靠性大面积的 LED 路灯在雷雨天气后损坏的事例屡见不鲜 ; 据某质监局在一次针对 LED 路灯的质量抽查中发现, 近 60% 的 LED 路灯无法满足雷击浪涌要求为评估 LED 照明产品的浪涌冲击抗扰性能, 须按照 GB/T /IEC 的要求进行浪涌冲击测试其测试原理如图 5 所示, 共模和差模试验的耦合网络是不同的, 差模试验即线 - 线试验, 其耦合电容是 18μF, 用于模拟实际云层和大地间的电容 ; 共模试验即线 - 地试验, 其耦合网络由电容和电阻串联组成, 其中电容为 9μF, 电阻为 10Ω (a) 差模试验 (b) 共模试验图 5 LED 灯具单相电源端口上的共模和差模试验简图图 6 LED 灯具雷击浪涌测试配置图

图 7 是采用杭州远方仪器有限公司 EMS61000-5G 全自动多功能雷击浪涌发生器 ( 见图 6) 进行浪涌测试的实测波形, 在 220V 市电上叠加一个 1kV 的浪涌尖峰, 尖峰的上升时间为 1.2μs, 持续时间 50μs, 而在自然雷击的情况下, 其浪涌电压可能达到几千伏甚至更高, 这是导致 LED 照明产品电路器件被击穿的直接原因图 7 浪涌测试波形图 3.

7 图 7 是采用杭州远方仪器有限公司 EMS G 全自动多功能雷击浪涌发生器 ( 见图 6) 进行浪涌测试的实测波形, 在 220V 市电上叠加一个 1kV 的浪涌尖峰, 尖峰的上升时间为 1.2μs, 持续时间 50μs, 而在自然雷击的情况下, 其浪涌电压可能达到几千伏甚至更高, 这是导致 LED 照明产品电路器件被击穿的直接原因图 7 浪涌测试波形图 3. 小结本文整理归纳了国际上 LED 照明产品相关电磁兼容 (EMC) 测试标准, 全面介绍了 LED 照明产品 EMC 测试项目, 并着重阐述了谐波电流静电放电浪涌冲击这三个项目的检测内容电磁兼容性是影响 LED 照明产品可靠性及安全性的重要因素, 对 LED 照明产品进行 EMC 测试对于提高 LED 照明产品质量, 进而促进 LED 照明行业健康发展有着非常重要的意义参考文献 : [1] 涂辛雅等.LED 对 MM 和 HBM 静电放电敏感性的研究 [J]. 半导体技术, 2012, 37 (11): [2] 陆海泉等.LED 受 ESD 冲击前后性能的变化分析 [J]. 半导体技术,2010,35(10): [3] 徐成岳等.LED 灯串电路谐波电流测试失败问题探讨 [J]. 中国照明电器, 2012,9:17-20.

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2009-8-7 QIANZHENYU 1 . 1.1 2001 2001 12 3 2009-8-7 QIANZHENYU 2 9 19 132 19 2009-8-7 QIANZHENYU 3 1.2 GB/T4765-1995 2009-8-7 QIANZHENYU 4 1.3 2009-8-7 QIANZHENYU 5 . 2.1 Electromagnetic Environment 2.2