照明产品的电磁兼容问题及检测技术

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。

关键词：照明产品，电磁兼容问题，检测技术

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》、ISO7637-2《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。

表1 LED照明产品的EMC测试标准

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

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 61000-3-2/GB 17625.1：《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 61000-3-2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。

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 17626.2/IEC61000-4-2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/T17626.2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。

2.3 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 17625.5/IEC61000-4-5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。

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.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。