作者：黄敏超
出版社：电子工业出版社
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LED灯具的电磁兼容设计与应用试读：
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
第1章 LED灯具面临的挑战
白光LED光源的出现，彻底打破了成熟照明行业的垄断，各种各样的企业纷纷涌入照明行业的上下游。随着LED灯具进入普通照明市场，价格的激烈竞争使得LED灯具替换传统灯具面临全方位的考验和挑战。现有很多流行的LED灯具替代方案不仅受到光效、兼容性和法规的挑战，而且不断地暴露出各种各样的电磁兼容和可靠性问题。
1.1 LED灯具的兴起
低碳节能是当前人类社会关注的焦点之一，减少用电量，就是减少二氧化碳排放量和对环境的污染。根据不完全统计，全球约有25%以上的电能耗用于照明应用，若能在日常照明应用中引入有效的节能手段，对于减少全球的能源消耗将能产生显著的成效。
LED光源作为新兴半导体光源，属于冷光源，自身对环境没有汞污染，与主流的白炽灯、卤素灯和荧光灯光源相比，节电效率可以分别达到90%和60%以上。考虑LED光源的单向和炫光特点，LED灯具需要做专门的配光处理，解决炫目问题，因此在同样亮度下，实际耗电量约为普通白炽灯的1/8、荧光灯具的1/2。
为了适应全球绿色环保及节能减排的趋势，各国政府积极通过政策、法规与产业辅导使社会朝照明节能化应用方向发展。比如，北美的能源之星推出LED灯具的补贴政策；中国政府于2012年5月提出的《国家基本公共服务体系“十二五”规划》中，有22亿元支持推广节能灯和LED灯计划，同时各地方政府也推出类似“十城万盏灯”的EMC补贴推广计划。
在不少室内应用场合，LED光源和LED灯具已经成功替换了传统光源和灯具，如手电筒、射灯和天花灯；但在很多其他应用场合，遇到了传统光源和灯具多方位的挑战，如价格、光效、兼容性、全球法规、可靠性和电磁兼容性的挑战。即使政府有上述的多项扶持政策，在过去5年中，LED灯具还是陆陆续续地出现了各种各样的品质问题，比如LED路灯忽明忽暗、LED灯具的使用寿命远达不到标称寿命等。
1.2 价格的挑战[1]
自2014年1月1日起，美国禁止生产和进口40W、60W白炽灯。当这条禁令来临时，原来只要0.25美分的43W白炽灯，现在就要1.5美元了。随后全球的禁用白炽灯禁令也陆续登场。
早在2013年第一季度，在上述禁令之前，CREE就以迅雷不及掩耳之势推出了9.97美元的LED球泡灯，以替代43W白炽灯。于是，LED球泡灯的价格大战在2013年拉开序幕，国际照明大厂也不能置身事外。Philips立即将球泡灯降价20%，台湾亿光也随后降价33%。到2013年10月，美国零售业巨鳄Walmart宣布旗下的LED球泡灯自有品牌Great Value最低价格降至8.88美元，以替代60W白炽灯。而当年率先打响价格战的CREE也不示弱，旗下的球泡灯通过能源之星认证，9.5W球泡灯获得补贴后售价仅为4.97美元，虽然这些LED灯泡只通过家得宝（Home Depot）出售。
从4.97美元的价格可以看到，LED照明价格的甜蜜点开始浮现，2014年照明行业将出现LED照明的换灯潮。据宁波海关的统计，2013年宁波地区的LED灯具出口量已超过所有灯具总出口量的50%。
正当国际市场LED照明业价格激战如火如荼的时候，国内市场也已于2012年开始进入价格的混战中，有人戏称“LED”的缩写开始为“Let Everyone Dance”，最终虽不至于“Lead Everyone Die”，但绝不会让每位都活着。
这些参与价格战的企业由多路人马组成：
第一路人马为LED照明企业。领头人鱼龙混杂，有海归、教授、地产商，还有五金店、杂货店转行的老板。他们有的仅懂开关电源，有的仅懂照明灯具的配件，却代表着要把传统照明打进历史博物馆的“革命军”。
第二路人马为传统照明企业。就是目前占据全国大部分流通地盘的大小企业，如雷士、佛照、欧普、阳光、三雄极光、远东照明、古镇等诸多照明企业和分散在各地的经销商。
第三路人马为国有企业。这主要是由于政府项目开始大量推出。
第四路人马为国际企业。它们带着高价的技术、设备、原材料，经过国内代工企业做成“物美价廉”的产品，一部分在销售到中国前，设置了各种检测认证，购买时就得出高价；其余作为国际品牌产品卖给政府和形形色色的商业高端客户。
第五路人马是来自中国台湾的LED企业。尤其是上游和中游，通常通过本地化、并购或合资的方式进行渗透。
上述五路人马几乎覆盖了中国的主要照明市场和渠道，里面也掺杂了许多缺乏实力的逐利型厂商。逐利型厂商的加入，容易导致产品的品质和价位迥异，使得国内LED照明市场鱼龙混杂，产品质量良莠不齐。比如，3W的LED球泡灯最低的只有2元，最高的有60元；质量差的LED灯具甚至不能连续工作超过1000h，还不如白炽灯。
这些低价劣质的LED产品和厂商，用简化的LED灯具替换传统灯具，通过牺牲灯具的安全性、电磁兼容性和不容易判断的使用寿命，以偷梁换柱的光效标称，来实现低价高性能，蒙骗了用户，搅乱了国内LED照明市场。
1.3 光效的挑战
要讨论节能的差异，灯具行业有一套系统和规范的评估方法来衡量光源或灯具能效指标，即光源或灯具的输出光通量与输入电功率之比。因此，照明行业多采用每瓦流明数（lm/W）作为基准进行光源和灯具能效差异评估。
通用照明市场涵盖的应用领域非常广泛，包括建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。在通用照明市场，目前常用的光源包括白炽灯、紧凑型荧光灯（CFL，Compact Fluorescent Lamp）、线性荧光灯、高强度气体放电灯（HID）、卤素灯以及新颖的高亮度发光二极管（High-Brightness LED）等。表1-1所示为各种光源的性能对比。表1-1 各种光源的性能对比
然而，光源的能效不等同于灯具的能效，灯具的能效除了取决于光源的能效外，还受光源的方向性、炫光性、灯具的配光和散热处理的影响。
例如，CFL、HID和白炽灯都是全向式照射光源，即不会使用到光亮的灯具背部，此处的照射作用完全没有效益，因为需要光照的区块可能仅是灯具前方有限的区域，照射在灯具背面的灯光等于白费。当然，在灯具设计中也可采取尽可能高反射的光滑或反光表面，将灯光通过折射有效集中于灯具前方，但仍会有灯具老化或是灰尘造成折射效率降低的问题，使灯光的投射路径产生大量的光能耗损，总体会损失接近40%～60%的光能。
LED灯珠为单向式照射光源，仅从单颗LED灯珠的角度衡量，目前性价比好、稳定量产的光效为120lm/W（25℃环温），但灯珠的工作温度升高后，光通量会打折，能效降低。而通常灯具中需要多颗灯珠一起发光才能达到灯具的总光通量，当灯珠拼到一起后，即使采取散热措施，由于灯具的结构还是会引起灯珠的明显温升。因此，当多个LED灯珠拼接后，其能效需要考虑0.8～0.9的折扣。
同时，灯具采用LED灯珠时还需要解决炫目的问题，比如将灯罩改成扩散PC材料，或者将灯珠放到侧面，再通过导光板、反光纸和扩散板将光线折射到需要的照明区域。这样的炫目处理方式又会引起至少10%的光损，甚至更多。
综合上述的分析和考虑，采用不同光源的灯具得到的光效以高压钠灯和LED灯具最佳，而且LED光源的光效还在不断地提高。因此，如果在灯具设计中能很好地处理散热和配光问题，LED光源和灯具将是最有前景的照明解决方案。
1.4 全球法规的挑战
照明行业是一个成熟的传统行业，从光源到各类灯具及其配件的标准已经由国际照明三巨头——Philips（飞利浦）、Osram（欧司朗）和GE（通用电气）规范和垄断。欧盟和北美的照明行业规范也基本出自这三家公司，如安全规范、电磁兼容规范、能效测试标准、节能法规和灯具及配件的标准。由于我国电网电压与欧盟接近，因此，我国的国标主要参照欧盟的标准规范。全球主要的法规和规范包括以下几项。
● 灯具安全要求标准：EN60598、UL1598和国标GB70001；
● 灯具控制装置的安全要求标准：EN61347和国标GB19510；
● 电磁兼容标准：EN55015、EN61547和国标GB17743；
● 双端荧光灯的性能标准：EN60081和国标GB/T 10682；
● 能效标准：245/2009/EC指令、Energy Star能源之星V1.1。
白光LED冷光源的出现，彻底打破了照明行业的长期垄断，使得国内照明企业和其他相关上下游的企业纷纷投资参与LED照明产业。他们首先需要面临的就是上述各种法规和规范的挑战。
如果灯具采用新的LED光源，类似荧光灯的电子镇流器一样，需要通过专门的LED驱动器，将电网交流电压或电池的直流电压转换成直流电流，才能安全地点亮LED灯珠。因此，LED灯具和传统的荧光灯类似，通常包括至少三个部件：LED光源模块、LED驱动器和灯具外壳等结构件。
虽然LED驱动器对于照明灯具来讲是全新的部件，但在开关电源行业中LED驱动器属于一种恒流电源。一个问题摆在大家面前：LED驱动器除了需要符合照明的法规外，是否还需要符合开关电源的安全法规EN60950、电磁兼容规范EN55022以及EN6000系列EMC法规?
针对这个问题，欧盟和北美专门对LED驱动器出台了专门的安全法规进行规范，即EN61347-2-13和UL8750。但是新的问题又出现了，LED驱动器根据这些法规的绝缘耐压和漏电流要求，集成到LED灯具中后，在进行灯具的绝缘耐压测试时，出现了LED灯珠损坏而LED驱动器完好无损的现象，如LED球泡灯、LED工作灯、LED三防灯和LED路灯。如何解决LED灯具的绝缘耐压测试不损坏内部LED灯珠成为照明行业头痛的问题。宁波远东照明已经解决了Ⅰ类LED灯具的绝缘耐压测试问题，并获得专利[2]；Ⅱ类灯具的绝缘耐压测试问题也已被上海正远电子技术有限公司攻克，并获得专利保护[3]。
然而，进入LED照明市场的诸多人马中，有不少厂家的工程师有的只精通开关电源，不太清楚照明灯具的法规要求；有的清楚照明灯具的法规，但对开关电源的法规不了解；有的甚至二者都不知晓。这就导致设计的LED驱动器不符合法规要求，造成设计返工、新产品开发拖延。另有一部分不符合法规的LED驱动器流入法规监管不严的照明市场和渠道。这样就进一步加剧了前面提到的LED照明市场鱼龙混杂、LED灯具质量良莠不齐的局面。
除了上面提到的安全法规，欧盟和北美还针对新兴的 LED 照明市场提高进入门槛，不断推出新的法规，以维护其在照明行业的垄断地位，如ErP指令2009/125/EC、生态设计指令1194/2012/EC（如图1-1所示），还有新的EU No.874/2012 的能效标贴指令（如图 1-2 所示）、光生物安全法规IEC62471（国标GB/T 20145），以及EN62493∶2009的对于人体暴露于照明设备电磁场的评估法规。图1-1 ErP指令的第1阶段要求图1-2 能效标贴样板
1.5 兼容性的挑战
目前，LED照明灯具处在替换传统光源和灯具时期，因此必须完全兼容传统光源和灯具的接口、开关、外形、配光部件及其他相关配件。这个兼容性的要求无疑给LED灯具提出了难题，主要有两方面：光源的散热问题和调光器的兼容性问题。
1.光源的散热问题
传统灯具不需要对光源采取特殊的散热处理，甚至灯具外壳为塑料材料，导热和散热性能很差。但LED光源由多颗灯珠组成，而且灯珠不耐高温，必须通过散热器进行温升控制。因此，LED灯具不仅需要解决灯珠的炫光问题，而且必须对灯珠进行针对性的降温处理，以控制灯珠温升。
图1-3所示为白炽灯和LED球泡灯的演变过程及其内部结构。LED球泡灯与白炽灯相比，电网侧的接口完全相同，外形也基本相同，不同点为炫目的LED光源特性、扩散PC灯罩和散热性能良好的铝型材。目前流行的解决方案为用扩散PC灯罩解决炫目问题和用散热性能良好的铝型材来控制灯珠的温升。但这样的方案会留下球泡灯的电气绝缘问题，在对球泡灯金属外壳做绝缘耐压测试时会出现灯珠损坏但驱动器完好无损的现象。如何通过灯具的绝缘耐压测试是很多厂家面临的难题。LED球泡灯替换白炽灯与CFL节能灯替换白炽灯类似，内部集成LED驱动器，但是交流LED驱动器采用电气隔离还是电气非隔离方案成为业界争论的焦点。目前，类似CFL节能灯中的电气非隔离方案已被多数厂家接受。图1-3 LED球泡灯的演变过程和内部结构图1-3 LED球泡灯的演变过程和内部结构（续）
图1-4所示为传统的T8荧光灯和替代的LED灯管，LED灯管也面临和LED球泡灯类似的问题：灯珠散热问题、绝缘耐压问题以及驱动器的方案问题。同样，电气非隔离方案已广泛应用于LED灯管的LED驱动器中。图1-4 传统的T8荧光灯管和T8 LED灯管
2.调光器的兼容性
传统灯具中有一个很常见的调光器配件。据不完全统计，全球不同国家和市场有300多种调光器，这些调光器对于传统光源没有任何应用问题，但用它们去控制LED灯具，就会出现的各种各样的异常现象，如不能调光、闪烁、调光范围受限制，甚至不能关闭或点亮。这些调光器的兼容性问题主要是由于晶闸管调光器中晶闸管的特性和LED驱动器的匹配引起的。如果LED驱动器采用两级功率变换和全数字控制模式，调光的兼容性就比较好处理，Cirrus Logic的解决方案可以实现约98%的兼容性，其他厂家的单级功率变换方案只能做到50%左右的兼容性，详见图1-5。图1-5 不同调光器及不同解决方案的兼容性
受传统白炽灯的外形大小限制，单级功率变换仍为主流方案，当涉及全球300多种调光器的兼容性问题时，仍然是一个挑战。
1.6 可靠性的挑战
对于Energy Star推出的LM70/LM80灯珠，传统灯具寿命法规及长时间老化测试方法对LED灯珠没有太大压力，但对于整体灯具却有很大的挑战。因为LED灯具通常包括三个主要部件：LED光源模块、驱动器和灯具结构件。这三个部件由于受到传统灯具的结构和安装方式的限制，都会对LED灯珠和LED驱动器的寿命产生严重影响，最终导致LED灯具寿命的缩短。
1.灯珠散热引起的可靠性挑战
LED灯具通常需要用多颗灯珠进行串并联组合来实现灯具需要的光通量的要求。由于只有约20%的电能转化为光能，剩下的80%转化为热能，会引起灯珠显著温升。灯珠的温度每升高1℃，其发光效率就会降低接近1%，而且LED灯珠发光波长随温度变化率为0.2～0.3nm/℃。这表明散热处理对LED的发光效率、光色和寿命十分重要。单颗灯珠的散热容易处理，但多颗灯珠的散热就成为问题，尤其是中间灯珠的散热。图 1-6所示为球泡灯中多颗灯珠的热仿真结果，中间的灯珠温升比周边的高很多。图1-6 LED球泡灯的热仿真示意图
2.LED驱动器引起的可靠性挑战
当LED灯具替换传统光源或灯具时，必须兼容传统灯具的外壳、接口和相关配件。很多传统光源和灯具采用密闭的灯腔，使得灯具输入的电功率除了20%转换成光能后，剩下的80%全部转化成热能。
如图1-7所示，室温下密闭灯腔的内部温度为45℃左右。假设LED灯珠发热引起的温升为10℃，LED驱动器的自身温升为30℃，标称25℃常温下5年寿命的LED驱动器，在密闭灯腔的LED灯具中实际只能达到0.625年的寿命。因此，目前成功的LED应用案例中LED驱动器多数为外置方式，即放置于灯腔之外。图1-7 密闭灯腔的LED灯具温度分布示意图
3.灯具结构和安装方式引起的可靠性挑战
为替换传统灯具，LED灯具中LED驱动器往往放置在灯具腔体的内部顶端，因为LED灯珠模块会直接面对灯罩以确保尽量多的光线透过灯罩照亮周边的环境，这种灯具结构使得LED驱动器下方往往直接是LED光源模块，如图1-8所示。
然而密闭的灯腔、发热的灯珠模块和上升的热空气，再加上LED驱动器自身的发热会进一步加剧LED驱动器及其内部元器件的温升。这样的热环境会显著缩短LED驱动器中电解电容的寿命。有的LED隔离驱动器中还采用光耦合器进行二次侧恒流控制，只能承受85℃环温的光耦合器就更难保证内置式驱动器的寿命和LED灯具的寿命。图1-8 吸顶灯的安装方式
1.7 电磁兼容性的挑战
LED灯具的核心部件LED光源的反向特性和灯具的电气结构给LED灯具造成了不少麻烦，比如EMI超标、电网浪涌或雷击时造成灯珠损坏、灯具做常规电气绝缘耐压测试后引起灯珠的隐性损伤或直接损坏，最后在最终用户端出现灯具点不亮、灯具使用寿命远比设计寿命短等现象。当LED 灯具替换传统光源的灯具时，上述电磁隐性损伤现象尤为突出。
1.LED光源的反向特性
在LED灯具设计中，LED光源的反向特性往往被忽视。如图1-9所示，Cree灯珠的反向耐压为最大DC 5V，而传统光源白炽灯、荧光灯和卤素灯都可以在AC 220V高压下工作，并能抗雷击浪涌的冲击。由于LED光源反向特性上的不同，如果LED灯具设计不当，当遇到电网浪涌、雷击和静电时，就会遇到很多电磁抗干扰方面的麻烦，造成灯具的隐性损伤，甚至直接损坏。图1-9 LED灯珠的反向特性
2.电气结构的挑战
LED灯具的电气结构给LED灯具的集成和传统灯具的替换带来很多挑战。挑战主要来自于传统灯具的电气结构、LED驱动器的接地结构和LED灯珠模块的散热结构。
目前，LED灯具的电气结构通常采用LED驱动器来驱动LED灯珠模块。其中，LED驱动器有Class Ⅰ（火线、零线和地线）和Class Ⅱ（火线和零线）两种输入结构，LED灯珠模块多通过电气绝缘后的金属散热器或借助灯具外壳进行散热。
在Ⅰ类传统灯具中，灯具的外壳通常是接地的，或者地线会接到灯具的内部金属部件中，比如荧光灯具中有安装接线柱的铁板等。当LED灯具替换这样的传统灯具时，其中的LED光源模块会通过灯具外壳进行散热，由于外壳的接地，使得整灯的EMI会超标，尤其当LED驱动器为Class Ⅱ输入时该问题会更严重。
3.灯具绝缘耐压失效
作为灯具，都需要通过常规的整灯绝缘耐压测试，不少厂家反馈LED灯具在经过绝缘耐压测试后，LED灯珠有损坏的现象，而LED驱动器却完好无损。由于不清楚LED灯珠损坏的机理，因此，批量生产中整灯的绝缘耐压测试只做抽检，不作为100%必检项目。
常规灯具绝缘耐压测试先将输入的L/N线短接后，与输入地线或灯具外壳施加安规规定的交流绝缘耐压，常称Hi-pot测试。灯珠损坏的主要原因为交流耐压测试中，交流的漏电流流进LED灯珠，使得LED灯珠承受反压电压，当超过如图1-9所示的最大反向耐压后，就会造成LED灯珠损坏。
绝缘耐压测试导致的LED灯珠损坏只是电磁兼容性问题在产品质检中的表现，更严重的后果是用户使用过程中碰到的静电、电网浪涌和雷击浪涌造成的灯珠损坏，它们损坏的机理实质上是一样的。
4.雷击浪涌失效
2013年7月，西班牙Salvi萨威灯具旗下多款LED路灯在雷雨后出现批量的死灯现象，在法国几乎是100%死灯，西班牙北部的死灯率也高达70%以上。死灯的现象为LED灯珠大部分短路损坏，但驱动器完好，如图1-10所示。具体原因分析和应对措施会在第6章进行详细阐述。图1-10 雷击浪涌损坏后的LED路灯
1.8 小结
LED灯具面临的上述各种各样的挑战中，电磁兼容性挑战是本书介绍的重点。随着LED进入普通照明市场，越来越多的质量问题都与电磁兼容性问题相关，因此越来越受到照明行业的重视。
电磁兼容性问题从20世纪90年代开始被学术界关注，有定性的理论分析。虽然学术界有很多对电磁噪声的理念描述和理论分析，工业界也有不少电磁兼容性问题解决方法的经验总结，但复杂的、飘忽不定和难以定位的电磁兼容性问题，往往让工程师经过很多次设计修改才能解决，而且得到的经验也不能简单地直接复制到新产品中。
对于解决实际产品中的电磁干扰问题，工业界还是依赖产品整体的电磁干扰定量终测，然后根据终测的结果进行设计修改和调试，缺乏好的方法和设备对噪声源、噪声传播途径进行准确定位和确认。而且，对于电磁兼容性问题的处理方法多数没有直接面对噪声源的准确位置和其传播途径，仅局限于从电路层面的进行处理，通过滤波器、屏蔽、磁性器件和回路设计来解决问题。
本书基于理论和实践相结合的宗旨，以LED灯具为切入点，探讨了LED灯具及其应用的电磁兼容性问题，分别从电磁兼容基本概念、差共模干扰层面和电磁场分布角度去分析电磁兼容性问题，结合实际案例介绍相关的电磁兼容法规和电磁兼容设计的具体应对解决方法，并推荐如何应对来自灯具结构、安规、热设计和可靠性设计的冲突；第7章分享了一种实用快速的电磁兼容问题诊断和调试技巧，详细介绍了如何使用近场探头来快捷地从时域和频域角度去确认噪声源准确位置和其传播途径，然后有针对性地采取措施来解决电磁兼容性问题，并进行验证；对于LED灯具的抗干扰测试，介绍了一种递进应力的雷击浪涌测试方法和流程，以确认浪涌对电路的影响，然后采取对应解决措施，并进行验证。
第2章 电磁兼容设计基本概念[4，8]
电磁兼容设计主要为满足两个方面的要求：电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰（EMS）的要求。本章阐述电磁兼容的基本三要素：电磁干扰源、传播途径和敏感设备，从基本三要素的角度阐述常见的电磁噪声抑制方法，也为后续章节中具体的电磁兼容解决措施奠定了理论基础。
2.1 电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰（EMS）
1881年英国科学家希维赛德发表了著名论文《抗干扰》，标志着研究干扰问题的开始。电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，其理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等学科，应用范围几乎涉及所有用电领域。
电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）在我国国标GB/T 4365—2003《电磁兼容术语》中定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力”。因此，EMC包括两方面的要求：（1）电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），即设备在运行时对环境的电磁干扰不能超过一定限值，主要考虑该设备对所在电磁环境所发射的电磁干扰。（2）电磁抗干扰（Electromagnetic Susceptibility，EMS），即设备对其所在电磁环境中存在的电磁干扰具有一定的抗扰度，主要考虑该设备在所在的电磁环境中的耐受性。
电磁兼容问题的分析和解决可以从三大要素着手：干扰源、传播途径和敏感设备，如图2-1所示。电磁兼容解决措施主要为根据设备需要满足的标准要求和具体的应用场合，确定EMC解决方案，做好设备和相关系统的EMC设计，如图2-2所示。图2-1 电磁兼容三要素图2-2 EMC设计和调试的思路
2.2 电磁干扰源[4]
电磁干扰源可以按照不同的角度进行分类，比如按其来源可分为自然干扰源和人为干扰源，按其功能可分为功能性干扰源和非功能性干扰源，按其时域特征可分为连续干扰源和瞬态干扰源，按其场的性质可分为电场干扰源、磁场干扰源和电磁干扰源，按其传播途径可分为传导干扰源和辐射干扰源。电磁干扰源按照其来源和传播途径的分类方式，比较有利于解决电磁兼容性问题。
图2-3所示为对电磁干扰源的分类，有助于对它的认识和深入的了解，以及对敏感部件的认识，进而确认干扰源和敏感部件之间的耦合路径，找到解决电磁兼容性问题的方法。图2-3 电磁干扰源的来源分类2.2.1 自然干扰源
自然干扰源是指自然现象引发的电磁干扰，主要为雷电、静电放电、大气噪声、太阳异常电磁辐射、宇宙的电磁辐射噪声、台风、火山爆发和地磁等。特别是雷电，是很严重的大气层地磁干扰源。雷电的闪电电流很大，可达几十万甚至百万安培量级，持续时间从几毫秒到几秒不等。该放电电流会感应出一个很强的电磁场，辐射的电磁场频率范围为10Hz～300kHz。这个干扰电磁场作用到设备的电源线或信号线上，会产生幅值很高的电压，对设备造成危害，即使在数千千米之外，干扰也会很严重。
静电放电也是一种自然界中经常碰到的电磁现象。静电是由于物体表面过剩或不足的静止电荷引起的。利用静电对带电微粒子的吸附作用，可以进行静电吸尘、静电复印和静电喷涂。当两个不同电位的物体由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷的转移，或者静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。在各种电子元器件中，静电放电对于半导体器件的影响是最大的，它会破坏元器件的绝缘，使其不能正常工作甚至完全破坏，而且随着集成电路密度越来越高，其影响程度与日俱增。2.2.2 人为干扰源
人为干扰源指人造设备工作时产生的电磁干扰，可以分为功能性干扰源和非功能性干扰源。功能性干扰源指为某个特定功能发射的电磁能量，如广播、通信、电视、雷达、无线充电和导航等无线电装置；非功能性干扰源有开关电源、数字电路、继电器、电感性负载的通断、交通车辆、电钻、吊车和电吹风等。
对于功能性干扰源，要限制那些功能性发射电磁能量以外的伴随干扰源，主要是谐波发射和与谐波发射无关的乱真发射。
而非功能性干扰源是必须进行抑制的，各种电磁兼容性标准的发射限值主要是针对非功能性干扰源的，同时也是电磁兼容解决措施的关注对象。这些干扰在日常生活中很常见，比如使用计算机时，手机信号的出现引起计算机音箱的杂音；使用电吹风时，电视机不但出现噪声，而且还出现雪花般的条纹。也有些干扰在日常接触不到，但受到的影响会令人措手不及，比如自动化仪器误动作、医疗设备失控、汽车定速巡航的失控和动车追尾等。
电磁干扰产生的根本原因是电路中电流和电压发生变化，即di/dt或du/dt中包含了较多的高频成分，这些高频成分极易产生电磁辐射和耦合，形成电磁干扰。
电磁干扰产生的主要来源有：（1）当电气设备接通或断开时，产生的电流和电压的骤变而造成的干扰。通常是有触点的设备，如电气开关、继电器、直流与交流电机等。（2）整流器在整流过程中由于电压和电流波形畸变产生的谐波干扰。（3）各种放电产生的干扰会产生高频辐射，在配电线上引起电压和电流冲击，如电晕放电、气体放电、辉光放电、弧光放电、火花放电等。（4）数字电路设备的干扰，其中的脉冲信号包含很宽的谐波频谱，加剧了数字设备产生电磁干扰信号的复杂程度。2.2.3 电磁场的基本特性[4，8]
麦克斯韦（Maxwell）四方程是对电磁场的定性和定量的阐述，随时间交变的电场或磁场会互为产生与之垂直的随时间交变的磁场或电场，然后以与电场和磁场垂直的方向以光速向外进行传播，如图2-4所示。即使扁平的PCB布线为一平面电场，只要有交变的电场，扁平的电路板也会产生一个立体交变的电磁场，以光速对周边的环境产生电磁干扰。图2-4 交变电场、磁场和传播方向的关系
电磁波可以用频率f和波长λ的关系进行定量的测算，即
式中，c为光速，c=3×108m/s。
在电磁波辐射过程中，电磁矢量和传播方向互相垂直，在数值上，电场强度E与磁场强度H之比等于波阻抗Z=377Ω，即0
虽然后面的章节中有部分电磁干扰问题会从电路层面或二维平面电磁场的角度进行阐述，但这不能否定电磁场的立体三维传播特性的真正本质。从立体三维电磁场的角度去考虑EMC问题，就可以更清楚地理解隐藏的立体电磁场分布，会比仅从电路层面或二维平面的角度去解释电磁兼容现象更加全面，能更精确地找到解决电磁兼容问题的方法和措施。2.2.4 辐射天线
空间干扰的传输本质为干扰源的电磁能量以电磁场的形式向四周空间传播，形成电磁辐射。
电磁辐射的必要条件，一是具有天线；二是有流过天线的交变电流。电子设备之所以会产生电磁干扰辐射，就是因为设备中存在寄生的天线，只要消除寄生天线或降低天线的辐射效率，或避免交变电流进入这些天线，就可以消除或减少电磁辐射干扰。
为解决电磁辐射问题，有必要了解两种基本辐射天线：电偶极天线和电流环天线，如图2-5所示。图2-5 电偶极天线和电流环天线
1.电偶极天线（dv/dt）
基于如下假设：（1）电偶极导体上的电流是均匀的。（2）电偶极的长度 L 远大于电流频率对应的波长λ（通常认为 10 倍以上）。（3）电偶极的长度L大于电偶极与观测点之间的距离D。（4）电偶极处于自然空间中，附近没有金属导体。
有以下结论：（1）在近场区，，有（2）在远场区，，有
式中，H为电偶极辐射磁场强度（A/m）；E为电偶极辐射电场强度（V/m）；I 为电偶极中的电流（A）；L 为电偶极的长度（m）；λ为电流频率对应的波长（m）；D为观测点到电偶极的距离（m）；Z为0自由空间的特征阻抗，通常为377Ω。
从以上公式中可以得出电偶极的磁场辐射强度H和电场辐射强度E与流经电流 I、电偶极的长度 L、观测点距离 D 和信号源波长λ之间的关系。（1）电偶极与流经电流I和电偶极的长度L
根据前述分析结果可以得出，无论在近场还是远场的情况下，电偶极的磁场辐射强度H和电场辐射强度E与流过电偶极的电流I和电偶极的长度L成线性正比，即H∝I，H∝L，E∝I和E∝L。
因此，减小电偶极的电流I和缩短电偶极的长度L，有利于减弱电偶极的电场E和磁场H干扰强度，这给设计中选择元器件和布线提供了理论依据。（2）电偶极与观测点距离D
① 近场下，电偶极的磁场辐射强度H与观测点到电偶极的距离的2平方D成反比，即；电偶极的电场辐射强度E与3观测点到电偶极的距离的立方D成反比，即。
② 远场下，电偶极的磁场辐射强度H和电场辐射强度E都与观测点到电偶极的距离D成反比，即。
这种与观测点的距离特性差别可以用于在电磁干扰调试过程中区分是磁场辐射还是电磁辐射引起的干扰，为确定噪声源的性质和位置提供了理论依据。（3）电偶极与信号源波长λ
① 近场下，电偶极的磁场辐射强度 H 几乎不受流进电流的波长λ的影响，但电场辐射强度E与流进电流的波长λ成正比，即E∝λ。
② 远场下，电偶极的磁场辐射强度H和电场辐射强度E都与流进电流的波长λ成反比，即。
这种电场辐射强度在近场下与信号源波长的关系可以用于在电磁干扰调试过程中区分是磁场辐射还是电磁辐射引起的干扰，为确定噪声源的性质和位置提供了理论依据。
2.电流环天线（di/dt）
基于如下假设：（1）导线中的电流是均匀的。（2）除了环路自身的电抗以外，环路导线的阻抗为零。（3）环路尺寸A远大于电流频率对应的波长λ（通常认为10倍以上）。（4）环路尺寸A大于环路与观测点之间的距离D。（5）环路处于自然空间中，附近没有金属导体。
有以下结论：（1）在近场区，，有
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