Tiền kiểm phát xạ đèn LED theo CISPR 15: nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ

Một bóng đèn LED rẻ tiền có thể làm nhiễu cả dải AM, gây rè cho máy thu dân dụng, và trượt ngay vòng thử phát xạ ở phòng thử nghiệm được công nhận. Nguyên nhân gần như luôn là bộ nguồn LED kiểu chuyển mạch. Đưa mẫu đi thử chính thức nhiều lần vừa tốn chi phí vừa kéo dài tiến độ, nên các nhà sản xuất đèn ngày càng tự làm tiền kiểm phát xạ đèn LED ngay tại phòng R&D: đo nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ theo cách gần giống phòng thử, sửa thiết kế, rồi mới gửi mẫu. Bài viết này trình bày CISPR 15 yêu cầu gì, cách dựng hệ tiền kiểm, những bẫy làm kết quả thấp hoặc cao giả, và cách chọn thiết bị Keysight.

Tiền kiểm phát xạ đèn LED: CISPR 15 yêu cầu gì

CISPR 15 là tiêu chuẩn giới hạn và phương pháp đo nhiễu tần số radio của thiết bị chiếu sáng. Bản hiện hành là Edition 9.0 (2018-05), thay thế Ed. 8 (2013) và sửa đổi 1:2015, cộng thêm sửa đổi AMD1 xuất bản ngày 08/07/2024. Phạm vi gồm thiết bị chiếu sáng, phần chiếu sáng của thiết bị đa chức năng khi chiếu sáng là chức năng chính, biển quảng cáo, đèn trang trí và biển báo khẩn cấp; loại trừ đèn trong dải ISM, đèn hàng không, màn hình video và thiết bị đã thuộc tiêu chuẩn CISPR khác như đèn xe (CISPR 12).

Theo lời tựa của Ed. 9.0, các thay đổi kỹ thuật chính gồm: thêm giới hạn nhiễu bức xạ 300 MHz – 1 GHz; thay đổi giới hạn cổng tải và giới hạn CDNE; bỏ yêu cầu insertion loss; đưa vào các loại cổng mạng có dây, cổng có dây cục bộ và cổng vỏ; phương pháp đo nhiễu dẫn mới cho đèn GU10 tự chấn lưu; và với thiết bị dài hơn 1,6 m, cho phép đo từ trường bằng anten vòng 60 cm ở khoảng cách 3 m. Tiêu chuẩn chỉ yêu cầu đo ở các dải có quy định giới hạn.

Tại Việt Nam, TCVN 7186:2018 tương đương hoàn toàn (IDT) với CISPR 15:2018, công bố theo Quyết định 4207/QĐ-BKHCN ngày 28/12/2018. Quy chuẩn QCVN 19:2019/BKHCN về sản phẩm chiếu sáng LED, ban hành kèm Thông tư 08/2019/TT-BKHCN, yêu cầu phát xạ không vượt giới hạn của TCVN 7186:2018. Ở châu Âu, tiêu chuẩn tương ứng là EN IEC 55015:2019 kèm A11:2020, với ngày rút bỏ tiêu chuẩn mâu thuẫn là 27/11/2022. Nói cách khác, đèn LED bán ở Việt Nam hay xuất khẩu sang EU đều quy về cùng bộ giới hạn CISPR 15.

Nhiễu dẫn đèn LED từ 9 kHz: LISN, băng thông và giới hạn

Khác với thiết bị công nghệ thông tin đo nhiễu dẫn từ 150 kHz, thiết bị chiếu sáng đo nhiễu dẫn đèn LED từ 9 kHz tới 30 MHz tại cực nguồn lưới. Mạng giả nguồn (AMN, thường gọi LISN) theo CISPR 16-1-2:2014 là loại 50 Ω/50 µH + 5 Ω cho dải 9–150 kHz và 50 Ω/50 µH cho 0,15–30 MHz. Ghi chú ứng dụng 5990-6152EN của Keysight mô tả LISN dùng tụ 1 µF và cuộn 50 µH để cách ly lưới, tụ 0,1 µF để ghép nhiễu sang máy phân tích, và trên 150 kHz thiết bị cần đo “nhìn thấy” trở kháng 50 Ω.

Băng thông phân giải theo CISPR 16-1-1 là 200 Hz cho dải A (9–150 kHz), 9 kHz cho dải B (150 kHz–30 MHz) và 120 kHz cho 30–1000 MHz. Theo bảng tổng hợp của Advanced Energy (ghi chú AN-G006, 2019) cho EN 55015, giới hạn điện áp nhiễu tại cực nguồn là:

• 9–50 kHz: 110 dBµV tựa đỉnh (QP), không có giới hạn trung bình.
• 50–150 kHz: 90 giảm xuống 80 dBµV QP.
• 150–500 kHz: 66 giảm xuống 56 dBµV QP; 56 giảm xuống 46 dBµV trung bình (AV).
• 0,5–5 MHz: 56 dBµV QP, 46 dBµV AV.
• 5–30 MHz: 60 dBµV QP, 50 dBµV AV.

Đây là số liệu từ nguồn thứ cấp; khi lập biên bản, hãy đối chiếu với Bảng 1 của bản tiêu chuẩn mà phòng thử nghiệm áp dụng. Về nguồn gốc nhiễu, trang kỹ thuật của C Electronics nhận xét nhiều driver LED chuyển mạch ở dải 50 kHz – 1 MHz tạo ra hài lan sâu vào dải 30–300 MHz. Vì vậy tần số chuyển mạch và các hài đầu tiên thường rơi đúng dải A và dải B, nơi giới hạn gắt và băng thông đo hẹp.

Từ trường 9 kHz–30 MHz và nhiễu bức xạ tới 1 GHz

Thiết bị chiếu sáng còn phải đo từ trường 9 kHz–30 MHz bằng hệ anten vòng lớn (LLAS). Biểu mẫu biên bản thử theo CISPR 15:2018 chọn đường kính vòng theo chiều dài sản phẩm: vòng 2 m cho thiết bị dài tới 1,6 m, 3 m cho 1,6–2,6 m, 4 m cho 2,6–3,6 m; thiết bị dài hơn 1,6 m có thể dùng giới hạn anten vòng thay thế. Đây là phép đo cần buồng và hệ vòng chuyên dụng, ít khi làm được ở bàn R&D; trong tiền kiểm thường chỉ dùng đầu dò trường gần để khoanh vùng nguồn phát.

Với nhiễu bức xạ 30 MHz – 1 GHz, một biên bản thử thực tế theo CISPR 15:2018 (buồng bán phản xạ, khoảng cách 10 m, bộ tách sóng QP, băng thông 120 kHz) áp giới hạn 30 dBµV/m ở các điểm đo 30–188 MHz và 37 dBµV/m ở các điểm 836–996 MHz. Biên bản đó cũng ghi quy tắc tần số trên: nếu tần số xung nhịp lớn nhất trong thiết bị không quá 30 MHz thì đo bức xạ tới 300 MHz là đủ, nếu lớn hơn thì phải đo tới 1 GHz. Đèn thông minh có vi điều khiển, Wi-Fi hoặc Bluetooth vì vậy gần như luôn phải quét tới 1 GHz. Phương pháp CDNE, đặt đèn trên giá cách mặt phẳng đất 10 cm, vẫn là lựa chọn thay thế cho dải thấp.

Quy trình tiền kiểm từng bước và các bẫy thường gặp

Ghi chú ứng dụng 5990-6152EN và 5990-3133 của Keysight đưa ra quy trình tiền kiểm mà ta có thể mở rộng xuống 9 kHz cho đèn:

1. Đo nền khi tắt đèn. Nếu tín hiệu môi trường đã gần giới hạn, cần che chắn hoặc rút ngắn dây trước khi đo tiếp.
2. Nạp hệ số hiệu chỉnh của LISN và bộ hạn chế xung vào máy, đặt biên an toàn cho cả hai đường giới hạn QP và AV.
3. Quét nhanh bằng bộ tách sóng đỉnh. Keysight nêu bộ tách sóng QP chậm hơn đỉnh hai tới ba bậc độ lớn, nên quét đỉnh trước để lấy danh sách tín hiệu vượt biên an toàn.
4. Đo lại từng điểm bằng QP và EMI-average; hiệu số so với giới hạn phải âm.
5. Kiểm tra quá tải: tăng suy hao đầu vào; nếu mức hiển thị không đổi thì không quá tải, nếu đổi thì cần thêm suy hao.

Các bẫy cần tránh:

• Không quấn ferrite lên dây nguồn khi đo: ferrite có thể triệt thành phần chế độ chung và cho kết quả thấp giả.
• Dây từ đèn tới LISN càng ngắn càng tốt, vì dây dài hoạt động như anten; dây đất dài trở nên cảm kháng ở tần số cao.
• Bảo vệ đầu vào máy: bật tắt nguồn đèn qua LISN có thể sinh xung lớn. Keysight dùng bộ hạn chế xung 11947A (9 kHz–200 MHz, chịu 10 kW trong 10 µs) trong các ghi chú ứng dụng; mã này nay đã ngừng, cần dùng bộ tương đương.
• Mật độ điểm quét: mặc định 2 điểm mỗi RBW; có thể tăng lên 4 hoặc 8 điểm để không bỏ sót đỉnh hẹp.
• Tách tín hiệu môi trường khi đo bức xạ: tắt đèn, dùng tính năng nghe (tune and listen), xoay đèn trên bàn xoay, hoặc dùng hai anten; tín hiệu từ đèn giảm khoảng 6 dB ở anten đặt xa gấp đôi, tín hiệu môi trường thì không.

Tiền kiểm và đo tuân thủ: khi nào máy phân tích tín hiệu là đủ

Máy thu đo tuân thủ theo CISPR 16-1-1 cần độ chính xác biên độ ±2 dB, bốn bộ tách sóng (đỉnh, QP, EMI-average, RMS-average) và phải qua phép thử xung CISPR, điều trong thực tế đòi hỏi bộ tiền chọn lọc (preselector) để nhiễu băng rộng không làm quá tải bộ trộn. Keysight xếp máy thu MXE và PXE vào nhóm tuân thủ đầy đủ CISPR 16-1-1, còn các máy phân tích tín hiệu X-Series với tuỳ chọn EMC vào nhóm tiền kiểm, “chỉ có bộ tách sóng và băng thông CISPR”. Ghi chú 5990-6152EN nói rõ trong một số trường hợp, máy phân tích tín hiệu có đúng băng thông và bộ tách sóng thay được máy thu tuân thủ nếu đủ độ nhạy; mục đích tiền kiểm là có ước lượng về khả năng đạt với chi phí bằng một phần nhỏ.

Ứng dụng đo EMI N6141EM0E trên X-Series cung cấp bảng quét tới 10 dải, danh sách tín hiệu, tới 3 bộ tách sóng đồng thời, kiểm tra giới hạn tự động và báo cáo HTML. Quét miền thời gian, phổ giám sát và APD cần tuỳ chọn DP2 hoặc B40. Phần kiến trúc máy thu và chế độ quét được phân tích kỹ trong bài máy thu đo EMI: kiến trúc máy thu và chế độ quét theo CISPR 16.

Chọn thiết bị Keysight cho tiền kiểm phát xạ đèn LED

• Phòng thử nội bộ muốn kết quả sát phòng công nhận: máy thu đo EMI MXE Keysight N9038B, tới 3,6/8,4/26,5/44 GHz tuỳ tuỳ chọn, bộ tách sóng QP, EMI-average, RMS-average đáp ứng CISPR 16-1-1:2019, có bộ tiền chọn lọc RF. Nhiễu chỉ thị điển hình −13 dBµV ở 3–30 MHz (băng thông 9 kHz) và −3 dBµV ở 30–300 MHz (120 kHz), đủ xa dưới các giới hạn ở trên.
• Cần rút ngắn thời gian quét QP: máy thu đo EMI PXE Keysight N9048B, 1 Hz – 44 GHz, quét thời gian thực không khe hở tới 350 MHz, hoặc 1 GHz với bộ xử lý luồng. Theo datasheet, quét QP kèm EMI-average dải B với thời gian dừng 1 s chỉ mất khoảng 2 s nhờ quét miền thời gian tăng tốc.
• Tiền kiểm kết hợp phát triển RF: máy phân tích tín hiệu MXA Keysight N9020B với tuỳ chọn EMC và N6141EM0E; DANL −151 dBm (1 Hz, 10 MHz–2,1 GHz, chỉ tiêu). Hợp với đèn thông minh vừa cần đo phát xạ vừa cần kiểm tra mô-đun vô tuyến.
• Ngân sách hạn chế: máy phân tích tín hiệu EXA Keysight N9010B với tuỳ chọn EMC, DANL −148 dBm (10 MHz–2,1 GHz, chỉ tiêu); Keysight gợi ý đúng cấu hình EXA cùng ứng dụng EMI cho nhóm tiền kiểm.

Lưu ý hệ thống còn cần LISN theo CISPR 16-1-2, bộ hạn chế xung, anten cho dải 30 MHz – 1 GHz và đầu dò trường gần; các tài liệu Keysight đã tham khảo không nêu mã LISN hay anten vòng của Keysight, nên các phụ kiện này thường chọn từ hãng chuyên EMC.

Kết luận

Tiền kiểm phát xạ đèn LED hiệu quả khi làm đúng phạm vi của CISPR 15: nhiễu dẫn từ 9 kHz với băng thông 200 Hz ở dải A, nhiễu bức xạ tới 300 MHz hoặc 1 GHz tuỳ tần số xung nhịp, và quy trình quét đỉnh trước rồi đo lại QP, AV ở các điểm nghi ngờ. Tránh các bẫy ferrite, dây dài và quá tải đầu vào là đủ để kết quả tiền kiểm bám sát phòng thử chính thức, giảm số lần gửi mẫu cho bộ nguồn LED mới.

Kết quả tiền kiểm chỉ đáng tin khi máy thu, máy phân tích và LISN còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy thu EMI và máy phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình tiền kiểm EMI cho sản phẩm chiếu sáng và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.