本书从电磁兼容三要素出发，结合电磁兼容法规，深入介绍了电磁兼容问题的基本原理、具体的设计方法和解决措施，并以实际案例进行佐证。本书最后介绍了两种快捷实用的电磁干扰和抗干扰解决方法：时频穿越法和递进应力法。时频穿越法借助近场探头和频谱分析仪，准确定位噪声源和传播途径，根据时域和频域下的噪声特性找到针对性的EMI解决方案；递进应力法通过递进干扰源强度的方法来确认产品受到影响的机理，然后采取有效的抗干扰措施。本书介绍的电磁兼容的设计理念和解决方案，不仅适用于LED灯具，也适用于通信电源、医疗电源、充电器、光伏逆变器、电动机驱动以及存在di/dt和du/dt骚扰源的应用场合。

前 言 随着现代电子技术的飞速发展，各种各样的电子设备在家庭、工业、医疗、交通和国防等领域广泛应用。然而，这些设备在工作的同时会产生各种各样的电磁干扰，再加上自然界的电磁干扰影响，不仅使得这些设备本身无法正常工作，而且严重时会造成设备损坏，导致动车追尾、通信瘫痪和飞机失事等灾难性后果。 电磁干扰问题也同样出现在照明灯具和照明系统中，轻者出现灯具闪烁、忽明忽暗，重者造成死灯、严重的交通事故、医疗事故甚至火灾等灾害性事故。 LED照明技术正方兴未艾，目前正处于替换传统光源的时期，比如LED球泡灯替换白炽灯、LED荧光灯管替换T8荧光灯和LED筒灯替换卤素射灯等。在替换过程中，LED灯具出现了各种各样奇怪的现象和问题，比如，灯具做常规绝缘测试时灯珠损坏，灯具的使用寿命远比设计寿命短得多，灯具安装后刚点亮就损坏，LED路灯在雨天后就大面积死灯等现象。对上述的失效现象已经有很多解释，如LED灯珠的质量问题、生产工艺问题、驱动器的可靠性、结构设计问题、系统兼容性问题和电磁兼容问题等，本书希望从电磁兼容的角度进行深入的讨论和分析失效机理，提出相应的解决方案，并进行验证。 电磁兼容（EMC）问题可以分为两大类：设备对外界的电磁骚扰和外界对设备的电磁骚扰。电磁骚扰由交变的电场和磁场产生，即由dv/dt和di/dt噪声源产生，然后以传导和辐射的方式进行传播。目前，流行的EMC问题解决方法可以分为两大类，简称为“路”和“场”。“路”的方法以电路的方式进行分析和解决EMC问题，比如用共模和差模滤波来抑制共模和差模噪声的方法就极具代表性，有很多开关电源工程师在“路”的解决方法上积累了很多经验；“场”的方法以电磁场分布的角度进行分析和解决EMC问题，以近场和远场的判断场源特性为主要代表，无线通信工程师在场的方法上往往具有很多丰富的经验。 无论是“路”的方法还是“场”的方法，都有各自的优势和用武之地，而两者提出的解决方案都离不开对隐藏于实际产品和电路原理图后的噪声源、传播途径和周边电磁环境的分析。然而，噪声源的确切位置和其传播途径在实际设计和调试中却一直很模糊，通常依赖工程师的经验进行估计和猜测，甚至有人戏称EMC的调试为“玄学”。那么是否有实用的工具能直观、快捷地发现噪声源的位置和其传播途径？如果有这样的工具，如何使用这个工具来解决电磁兼容问题？ 本书以“实践不离理论指导，理论不离实践验证”为宗旨，以LED灯具为切入点，内容共7章，探讨LED灯具及其应用的电磁兼容问题，从电磁兼容基本概念的角度，透过看得到的实际产品和电路原理图来确认隐藏其后的交变电磁场分布，找到准确的噪声源位置和传播途径；结合电磁兼容法规和相关的标准测试方法，阐述EMC常见解决方法的理论基础，并结合实际案例进行验证；最后，推介两种快捷实用的电磁兼容解决方法——时频穿越法和递进应力法，来解决产品中的电磁干扰问题和抗干扰问题。 第1章介绍LED灯具面临的市场竞争、法规、可靠性和应用场合的挑战，指出产品电磁兼容性的重要性。 第2章从系统和空间环境的角度主要介绍基础的电磁兼容三要素、共模和差模的理念、交变电场和磁场天线的特性、近场干扰与远场干扰的特性区别，以及噪声的典型抑制方法。 第3章详细解读了各项电磁兼容法规的内容，并阐述各项法规与电磁兼容基本概念之间的关系，以及各项法规中的标准测试方法。 第4章先介绍了网侧输入功率因数PF矫正的目的和定义，再结合最新的欧盟ErP和北美的能源之星法规，对主流的无源和有源功率因数的解决方案进行介绍，并列举了一些实际应用案例和相关的控制芯片。 第5章先从灯具整体结构角度阐述如何进行LED灯具的EMI设计，再深入讨论LED驱动器内部的EMI设计，包括安规电容选型、电路工作模式、布线和关键磁性器件的EMI设计，最后结合一些实际案例进一步验证EMI解决措施的效果；当面对电磁兼容的解决措施与灯具整体结构布局、安规、散热设计和灯具安装方式冲突时，推荐了一些处理这些冲突的思路。 第6章主要讨论LED灯具的防雷设计，不仅从LED驱动器的防雷设计出发，而且从灯具本身的电气和机械结构设计以及应用环境的防雷要求出发，结合共模和差模雷击理念，介绍如何选择防雷电路、如何选型防雷器件，并介绍了一个实际的LED灯具雷击失效的解决方法案例。 第7章主要介绍了一种实用快速的时频穿越法解决EMI问题和递进应力的雷击浪涌测试方法，并结合实际案例介绍了具体的实现步骤和验证结果。 衷心感谢我的父母和夫人郑丹叶对我撰写本书的倾力支持；感谢恩师林渭勋老师的教诲；感谢宁波远东照明有限公司提供的实际案例；感谢师兄弟和同事的技术交流和讨论；最后要感谢一起参与撰写本书的黄彭序、潘小莹、郑吉安、虞素婉、郑丹叶、张曦春、顾殷嘉和黄青蓝。 由于作者水平所限，书中难免有错误和不足之处，恳请各位专家、同行和读者批评指正。 黄敏超

目 录 第1章 LED灯具面临的挑战 1 1.1 LED灯具的兴起 1 1.2 价格的挑战 2 1.3 光效的挑战 4 1.4 全球法规的挑战 6 1.5 兼容性的挑战 8 1.6 可靠性的挑战 11 1.7 电磁兼容性的挑战 14 1.8 小结 16 第2章 电磁兼容设计基本概念 18 2.1 电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰（EMS） 18 2.2 电磁干扰源 19 2.2.1 自然干扰源 20 2.2.2 人为干扰源 21 2.2.3 电磁场的基本特性 22 2.2.4 辐射天线 24 2.3 传播途径 32 2.3.1 差模干扰和共模干扰 33 2.3.2 近场干扰和远场干扰 34 2.4 敏感设备 35 2.5 噪声的常见抑制方法 37 2.5.1 传导噪声的常见抑制方法 37 2.5.2 辐射噪声的常见抑制方法 38 2.6 小结 39 第3章 详解LED灯具的电磁兼容法规 41 3.1 面对电磁兼容法规的困惑 41 3.1.1 法规中的法规 41 3.1.2 不同国家和地区的要求 43 3.1.3 灯具和配件要求不同 45 3.2 国内外电磁兼容的历史背景 46 3.3 电磁兼容标准的框架 47 3.4 电磁兼容测试分类 50 3.5 电磁干扰（EMI） 50 3.5.1 传导骚扰测试（EN55015） 51 3.5.2 辐射骚扰测试（EN55015） 55 3.5.3 输入电流谐波测试（EN61000-3-2） 59 3.5.4 注入公共电网的骚扰电压测试（EN61000-3-3） 63 3.6 电磁抗干扰（EMS）（EN61547） 63 3.6.1 静电放电（IEC61000-4-2） 67 3.6.2 射频电磁场（IEC61000-4-3） 70 3.6.3 电快速瞬变脉冲群（IEC61000-4-4） 73 3.6.4 浪涌（雷击）（IEC61000-4-5） 77 3.6.5 注入电流（IEC61000-4-6） 80 3.6.6 工频磁场（IEC61000-4-8） 81 3.6.7 电压跌落和中断（IEC61000-4-11） 84 3.6.8 电磁抗干扰测试小结 84 3.7 小结 86 第4章 输入功率因数PF的设计考虑 87 4.1 功率因数矫正（PFC）的目的 87 4.2 电路解决方案 90 4.2.1 无源填谷式PFC电路 90 4.2.2 无源PFC降压恒流驱动电路（PPFC+Buck） 93 4.2.3 无源PFC反激式恒流驱动电路 94 4.2.4 APFC降压恒流驱动电路 94 4.2.5 APFC反激式恒流驱动电路 96 4.2.6 两级功率变换的恒流驱动电路 98 4.2.7 高压分段线性恒流驱动电路 102 4.3 驱动器控制芯片的选择 104 4.4 实际应用案例 105 4.4.1 单级Buck降压非隔离驱动器 105 4.4.2 单级PFC反激式隔离恒流驱动器 106 4.4.3 多串变压器LLC隔离恒流驱动器 107 4.4.4 高压分段线性恒流驱动器 110 4.5 小结 114 第5章 EMI设计考虑 115 5.1 为何结构设计会影响EMC性能 115 5.1.1 LED灯具机械结构如何影响其EMC性能 116 5.1.2 安全法规中的传统灯具分类 119 5.1.3 灯具的接地结构 120 5.1.4 驱动器的接地结构 121 5.1.5 灯珠模块的寄生电容Cstray 122 5.2 安规电容 124 5.2.1 X电容的作用 125 5.2.2 X电容的分类 125 5.2.3 X电容的限制 126 5.2.4 Y电容的作用 127 5.2.5 Y电容的分类 127 5.2.6 Y电容的限制 127 5.3 驱动器工作模式 128 5.3.1 准谐振反激式变换器（Quasi-Resonant Flyback Converter） 129 5.3.2 电流临界连续功率因数矫正变换器（CRM PFC Converter） 129 5.3.3 LLC谐振隔离变换电路 131 5.4 布线设计考虑 131 5.4.1 PCB布局 131 5.4.2 回路面积 135 5.4.3 VCC和VSS回路面积 137 5.4.4 回路磁场抵消 138 5.4.5 接地技术 138 5.4.6 地平面和功率平面 139 5.4.7 PCB走线的寄生参数 140 5.4.8 过孔 141 5.5 无Y电容的解决方案 143 5.6 实际应用案例 144 5.6.1 案例1：40W非隔离LED驱动器的LED三防灯 144 5.6.2 案例2：20W隔离LED驱动器的工作灯 148 5.7 电磁兼容设计面对的冲突 151 5.7.1 灯具的结构 151 5.7.2 安规的冲突 154 5.7.3 热设计的冲突 154 5.7.4 冲突的权衡 156 5.8 小结 156 第6章 雷击浪涌的设计考虑 158 6.1 应用场合与防雷要求 158 6.1.1 室内灯具的防雷 159 6.1.2 室外灯具的防雷 160 6.1.3 实际应用场合的雷击浪涌强度 161 6.2 整体电气结构、机械结构与雷击浪涌电流 163 6.3 防雷器件的选型及使用 166 6.3.1 雷击浪涌吸收器件 166 6.3.2 放电间隙 167 6.3.3 气体放电管 167 6.3.4 压敏电阻选型 168 6.3.5 智能型压敏电阻 172 6.4 雷击浪涌实际案例 174 6.5 小结 177 第7章 电磁兼容（EMC）问题的诊断和调试技巧 179 7.1 产品开发周期的主要瓶颈——电磁干扰（EMI） 179 7.2 不同频率段下的EMI诊断和解决措施 180 7.3 时频穿越法解决EMI问题 184 7.3.1 近场探头的特性及其使用方法 185 7.3.2 案例1：时频穿越法快速解决EMI问题 190 7.3.3 案例2：25W隔离型LED驱动器 197 7.4 递进应力的雷击浪涌测试方法 203 7.4.1 法规要求的确认 205 7.4.2 测试准备 205 7.4.3 测试设备的确认 205 7.4.4 递增雷击浪涌应力测试 207 7.4.5 确认原因 208 7.4.6 解决措施 210 7.4.7 余量验证 211 7.5 小结 212 参考文献 214