反射型自鎮(zhèn)流LED燈認(rèn)證要點(diǎn)及電源方案選擇

曹簫洪

(上海亞明照明有限公司電器開(kāi)發(fā)部，上海 201801)

1 反射型自鎮(zhèn)流LED燈及其各組件之間的關(guān)聯(lián)

反射型自鎮(zhèn)流LED燈是指外形類似于帶有碗碟狀反射罩的PAR燈，含有LED光源和保持其穩(wěn)定燃點(diǎn)所必需的元件并使之組成為一體的，用于替換傳統(tǒng)PAR系列鹵鎢燈的射燈。

根據(jù)碗碟狀反射罩的尺寸差別，PAR系列燈可以細(xì)分為PAR16、PAR20、PAR30和PAR38等，對(duì)應(yīng)的可工作的最大輸出功率和輸出流明也依次增大。當(dāng)PAR燈應(yīng)用到不同照明場(chǎng)合及替換不同功率的鹵素?zé)魰r(shí)，對(duì)光束角及中心光強(qiáng) (CBCP)等的要求是不同的，據(jù)此PAR燈又可以劃分為4類，分別是:投光、窄角、寬角和泛光四類，表1列出替換90W鹵素?zé)舻腜AR38 LED燈的一些主要數(shù)據(jù)。

表1 能源之星給出的PAR38 LED替換鹵素?zé)舻闹饕怆娭笜?biāo)要求

LED PAR燈組件主要包括:LED光源、光學(xué)系統(tǒng) (反光杯、透鏡等)、驅(qū)動(dòng)電源、結(jié)構(gòu)件 (散熱器、塑料件、燈頭、散熱膠等的統(tǒng)稱)，它們之間的關(guān)系示意圖在圖1中給出，可以這樣來(lái)形容各組件的角色:

(1)LED光源是LED PAR燈的靈魂，COB光源和大功率LED顆粒陣列排布光源是兩種主要選擇，燈顯色指數(shù)的大小、光效的高低主要是由光源決定的。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，甚至結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)都是圍繞光源而展開(kāi)的。

(2)光學(xué)系統(tǒng)是LED PAR燈的眼睛，主要包括反光杯和透鏡。光學(xué)系統(tǒng)將光源發(fā)出的光按照應(yīng)用場(chǎng)合所需要的方式投射出來(lái)，設(shè)計(jì)良好的光學(xué)系統(tǒng)可以改善光學(xué)指標(biāo)，譬如:提高CBCP、減少超出目標(biāo)區(qū)域的雜散光、弱化光照范圍內(nèi)非白光光圈、改善照度均勻性和顏色均勻性、霧化削弱眩光等。增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的透光性，可以增大整燈光效，但眩光現(xiàn)象就可能成為風(fēng)險(xiǎn);光學(xué)系統(tǒng)材料的阻燃等級(jí)高，則對(duì)電源設(shè)計(jì)的約束條件就少，也容易通過(guò)產(chǎn)品的安全認(rèn)證，但是一般來(lái)說(shuō)，塑料透鏡在自身材料的透光性增強(qiáng)和阻燃等級(jí)提高上存在一定的矛盾，即透光性好的塑料的阻燃等級(jí)不高。

(3)驅(qū)動(dòng)電源是LED PAR燈的心臟，是動(dòng)力的來(lái)源，同時(shí)它也是PAR燈中最受詬病的“傷心”組件，因?yàn)镻AR燈失效絕大部分原因來(lái)自于電源的失效。首先，電源可以為L(zhǎng)ED光源提供恒流驅(qū)動(dòng)，以便讓LED燈珠有穩(wěn)定的流明輸出;其次，目前的LED燈珠既是光源，更是熱源，輸入到燈珠中的電能有接近80%轉(zhuǎn)化為有害的焦耳熱，電源的壽命和可靠性因此而成為最大的受害者。并且，LED PAR燈在認(rèn)證時(shí)，遇到的的障礙大多也是來(lái)自于電源。另外，當(dāng)要求LED PAR燈具有調(diào)光功能時(shí)，如何保證電源和調(diào)光器的兼容度也是一個(gè)難題。

(4)結(jié)構(gòu)件是LED PAR燈的肢體，它將PAR燈的其他組件聯(lián)結(jié)在一起，同時(shí)充當(dāng)LED燈珠的散熱器，它可以顯著地減小LED顆粒到周圍環(huán)境的熱阻，以便限制LED光源溫度的過(guò)度上升。LED PAR燈的金屬散熱器是外露的，也沒(méi)有接安全地線，同時(shí)安放LED光源的鋁基板是直接擰緊在這個(gè)金屬部件上的，并且鋁基板上的銅箔層和驅(qū)動(dòng)電源有電氣連接。換言之，LED PAR燈和傳統(tǒng)光源的PAR燈(如鹵素PAR燈和HID PAR燈)在安全認(rèn)證上有很大的差別，即LED PAR燈燈體外露部分有金屬部件，有觸電風(fēng)險(xiǎn)，而傳統(tǒng)PAR燈外露部分是非金屬的，觸電風(fēng)險(xiǎn)小。另外，LED PAR燈的外形和尺寸類似于要替換的鹵素PAR燈，所以LED PAR燈中留給電源的空間尺寸就非常有限了。如果選定COB燈珠作光源，則光學(xué)系統(tǒng)需要采用反光杯來(lái)配光，反光杯的引入將進(jìn)一步縮小留給電源的空間，此時(shí)如何保證電源的各項(xiàng)性能將是一個(gè)很大的考驗(yàn) (圖1)。

圖1 LED PAR燈各組件之間的關(guān)系示意圖

2 安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的解讀及其對(duì)LED PAR燈設(shè)計(jì)方案選擇的指導(dǎo)性

在開(kāi)發(fā)LED PAR燈驅(qū)動(dòng)電源之前，熟悉認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的要求是很有必要的，這樣可以避免走彎路，表2列出和反射型自鎮(zhèn)流LED燈產(chǎn)品認(rèn)證相關(guān)的國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，其中安全認(rèn)證和電磁兼容認(rèn)證是強(qiáng)制性的，而能效認(rèn)證和應(yīng)用環(huán)境認(rèn)證目前還是非強(qiáng)制性的，隨產(chǎn)品目標(biāo)客戶的要求而定。譬如，LED PAR燈作為替換鹵素?zé)舳M(jìn)入北美市場(chǎng)，如果能通過(guò)替換門(mén)檻所要求的能效指標(biāo) (＞45lm/W，DOE能源之星所制定)，則有機(jī)會(huì)得到能源補(bǔ)貼，這對(duì)于增大產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力是有幫助的。

表2 反射型自鎮(zhèn)流LED燈相關(guān)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

在LED PAR燈電源開(kāi)發(fā)方面有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道，LED PAR燈的安全和性能認(rèn)證的難點(diǎn)集中在驅(qū)動(dòng)電源上。通過(guò)上面對(duì)LED PAR燈各組件相互關(guān)系的論述而得知，電源組件成為認(rèn)證問(wèn)題焦點(diǎn)是受困于下面的事實(shí):電源被安放在PAR燈結(jié)構(gòu)件內(nèi)一個(gè)狹小的空間中，并且受到LED燈珠發(fā)熱的炙烤。由于可供電源利用的空間狹小，電源線路板上的元器件相互之間的安全爬電距離較難保證，有時(shí)緊張到即便再多放一個(gè)0805的貼片電阻的空間都騰挪不出來(lái)，導(dǎo)致原本可以改善電源電氣性能的許多主措沒(méi)辦法實(shí)施;PAR燈工作在半封閉的燈筒內(nèi)，即便環(huán)境溫度只有25°，但由于受LED光源的發(fā)熱炙烤，電源內(nèi)部的空氣溫度都可能超過(guò)90°，再加上電源自身的發(fā)熱和溫升，所以電源線路板上的元器件的實(shí)測(cè)溫度較大，甚至超過(guò)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所接受的安全溫度限度。雖然給電源灌封導(dǎo)熱系數(shù)大的散熱膠是有助于降低電源內(nèi)部元器件溫度的，但是這會(huì)引起PAR燈總成本和總重量的顯著上升，而成本和總重量都是LED PAR燈必須控制的指標(biāo)。

LED PAR燈的安全認(rèn)證規(guī)范定義了許多測(cè)試項(xiàng)目，其中最關(guān)鍵的有兩個(gè)，即電氣強(qiáng)度及防觸電測(cè)試和關(guān)鍵零部件溫度測(cè)試，其中前者直接影響電源的設(shè)計(jì)方案選擇、鋁基板的選擇、光學(xué)透鏡材料選擇和與之相關(guān)的配光效果，而后者涉及到PAR燈結(jié)構(gòu)件的材料選擇、電源線路板上元器件的選擇和熱管理。

LED PAR燈的電氣強(qiáng)度及防觸電測(cè)試是這樣來(lái)實(shí)施的:組裝完好的LED PAR燈，將電源輸入端的火線和零線短路，然后在火線和燈體外露金屬部件之間施加高壓并測(cè)量漏電流，如果漏電流在限值以下，則絕緣強(qiáng)度測(cè)試通過(guò);然后通過(guò)檢驗(yàn)透鏡和其他塑料件的阻燃等級(jí) (UL標(biāo)準(zhǔn))或者對(duì)其實(shí)施灼熱絲和球壓試驗(yàn) (CE標(biāo)準(zhǔn))來(lái)評(píng)估燈體是否具有阻燃性。為了通過(guò)LED PAR燈電氣強(qiáng)度和防觸電測(cè)試，需要綜合考慮鋁基板和光學(xué)透鏡，這樣才能得到最合理的驅(qū)動(dòng)電源方案。這其中，電能傳輸方式的確定是電源方案選擇中最糾結(jié)的選擇，因?yàn)殡娔苤苯觽鬏旊娫?(即非隔離式電源)驅(qū)動(dòng)的LED PAR燈在體積、效率、可靠性及成本等方面有諸多優(yōu)勢(shì)，但是在絕緣強(qiáng)度測(cè)試、光學(xué)透鏡選擇及配光上比較棘手。是采用非隔離式電源方案，還是采取變壓器隔離式電源方案，可以綜合考慮下面若干因素而定:①選用的鋁基板中絕緣層的擊穿電壓和導(dǎo)熱系數(shù);②電源交流輸入電壓大小 (120V?220V?277V?)和產(chǎn)品準(zhǔn)備推往市場(chǎng)區(qū)域采用的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn);③準(zhǔn)備采用COB光源、抑或大功率LED顆粒陣列排布光源;④客戶對(duì)整燈光效和光品 (CBCP、顯色性、雜散光等)是否有較高的期望。

對(duì)于絕緣強(qiáng)度測(cè)試，不同區(qū)域安全標(biāo)準(zhǔn)定義測(cè)試電壓的大小是不同的，日本市場(chǎng)和美國(guó)市場(chǎng)采用(2U+1000)V的方法，即2倍最大母線電壓加上1000V，而中國(guó)市場(chǎng)和歐洲市場(chǎng)采取的是加強(qiáng)絕緣評(píng)估方法，電氣強(qiáng)度測(cè)試施加的電壓等于4000V。在日本 (120V電網(wǎng))和北美區(qū)域 (120V/277V電網(wǎng))，LED PAR燈電源可以采取非隔離式方案，這樣電氣強(qiáng)度測(cè)試電壓將全部施加在鋁基板的絕緣層上，但由于在這兩個(gè)區(qū)域，電氣強(qiáng)度測(cè)試電壓在2kV之下，所以采用最常用的耐受2kV的鋁基板是切實(shí)可行的。中國(guó)和歐洲的絕緣強(qiáng)度測(cè)試電壓較高，對(duì)于一般耐受2kV的鋁基板，LED PAR燈采取非隔離式電源方案是不行的，因?yàn)闇y(cè)試電壓會(huì)擊穿鋁基板絕緣層并導(dǎo)致測(cè)試漏電流超過(guò)限值;采用4kV以上絕緣耐壓的鋁基板，雖然從原理上講是可以實(shí)施非隔離式電源方案的，但是如果鋁基板邊沿沒(méi)有完整的絕緣材料包繞，則鋁基板的銅箔層距離鋁基板的邊界必須設(shè)置在4mm之上，LED光源對(duì)鋁基板的利用率太低，燈體的橫截面尺寸就很難控制。也就是說(shuō)，如果采取非隔離式驅(qū)動(dòng)電源方案，則LED PAR燈要通過(guò)CCC和CE認(rèn)證中的電氣強(qiáng)度測(cè)試，將不是一個(gè)容易的事。如果LED PAR燈電源采取隔離式方案，這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解，此時(shí)即便采用耐受2kV的鋁基板，只要隔離變壓器設(shè)計(jì)和工藝到位，則電源火線到燈體外露金屬部件間的漏電流會(huì)很小，可以輕松通過(guò)CE和CCC認(rèn)證中對(duì)電氣強(qiáng)度項(xiàng)目的測(cè)試。

LED PAR燈燈體上有外露的金屬部件，燈通過(guò)了電氣強(qiáng)度測(cè)試，僅僅表明在燈體完好無(wú)損的情況下，客戶用手直接觸摸金屬部件是安全的。但是，如果PAR燈的透鏡損壞，客戶用手可以觸摸到鋁基板上的銅箔層，仍然會(huì)有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。所以，LED PAR燈的安全認(rèn)證也包括透鏡材料的檢驗(yàn)，這就涉及到塑料透鏡的阻燃等級(jí)檢驗(yàn)，或者玻璃透鏡破損后可達(dá)燈體內(nèi)帶電體的孔隙尺寸的測(cè)量。玻璃透鏡的透光性好，但是抗震性差;塑料透鏡抗震性好，但是在阻燃等級(jí)和透光性上存在矛盾。在LED PAR燈中，要解決塑料透鏡在阻燃等級(jí)和透光性上的矛盾，既要順利通過(guò)安全認(rèn)證中的防觸電測(cè)試，又要實(shí)現(xiàn)透光最大化，則Class-II電源方案 (又名LELV或者SELV電源)是一個(gè)理想選擇。Class-II電源須滿足三個(gè)基本特征:①隔離式電源;②在干燥的應(yīng)用環(huán)境中，電源的輸出電壓必須小于60VDC(UL);在潮濕環(huán)境中，輸出電壓減半;如果是申請(qǐng)CUL認(rèn)證，則輸出電壓須小于42.4VDC;③輸出功率小于100VA。采用Class-II電源方案來(lái)設(shè)計(jì)LED PAR燈，在安全認(rèn)證時(shí)，將不再對(duì)塑料透鏡的阻燃等級(jí)作強(qiáng)制性要求，這樣就可以采用透光性好的透鏡材料，以便實(shí)現(xiàn)配光效果最佳化，這對(duì)于PAR燈通過(guò)“能效認(rèn)證”也是大有幫助的。

LED PAR燈要通過(guò)安全認(rèn)證，遇到的另外一個(gè)非常棘手的問(wèn)題是如何將燈內(nèi)相關(guān)元器件的溫度控制在安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值以下，表3給出一些UL(CUL)認(rèn)證規(guī)定的元器件溫度限值 (基于熱電耦測(cè)試方法)。

表3 UL(CUL)認(rèn)證的元器件溫度限值(基于熱電耦測(cè)試方法)

對(duì)于有較大輸出功率的LED PAR38燈 (譬如20W)，電源內(nèi)部的環(huán)境溫度可達(dá)90°以上，要通過(guò)安全認(rèn)證中的溫度測(cè)試，同時(shí)也為了提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性及電解電容的壽命，延長(zhǎng)LED PAR燈的使用年限，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)件散熱器的設(shè)計(jì)外，可以給電源灌封優(yōu)良的導(dǎo)熱膠;另外，還可以考慮選用高溫元器件，譬如:①130°的電解電容;②125°的Y電容;③變壓器的絕緣等級(jí)采用Class F級(jí)。

3 EMC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和能效認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的解讀及其對(duì)LED PAR燈設(shè)計(jì)方案選擇的指導(dǎo)性

EMC認(rèn)證也涉及到許多測(cè)試項(xiàng)目，主要包括:傳導(dǎo)干擾、電場(chǎng)輻射干擾、磁場(chǎng)輻射干擾、諧波電流、Surge、EFT、ESD、電壓跌落等。對(duì)于LED PAR燈的EMC認(rèn)證，通過(guò)傳導(dǎo)干擾測(cè)試和控制諧波電流這兩項(xiàng)是UL、CCC和CE標(biāo)準(zhǔn)都要求的，而其他EMC測(cè)試項(xiàng)目是否需要通過(guò)認(rèn)證將視客戶要求而定。對(duì)LED PAR燈而言，能否通過(guò)EMC認(rèn)證相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目主要是由驅(qū)動(dòng)電源的EMC設(shè)計(jì)決定的。

對(duì)于LED PAR燈的能效認(rèn)證技術(shù)規(guī)范中要求的測(cè)試項(xiàng)目和上面的安全認(rèn)證測(cè)試項(xiàng)目、EMC認(rèn)證測(cè)試項(xiàng)目有很多是相互交叉的，這里僅列出CQC 3129—2010中不同的測(cè)試項(xiàng)目，分別是:功率因數(shù)、初始光參數(shù)值 (即老練1000小時(shí)后穩(wěn)定的光學(xué)參數(shù):流明、光效、顯色指數(shù)、中心光強(qiáng))、長(zhǎng)期燃點(diǎn)光參數(shù)值 (光通維持率，色溫維持率)、光通維持率降低到70%時(shí)的持續(xù)燃點(diǎn)時(shí)間 (整燈的光學(xué)壽命)。不同的能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試項(xiàng)目可能略有不同。對(duì)于能源之星標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，LED PAR燈替換鹵素?zé)舻恼麩艄庑чT(mén)檻值是45lm/W。整燈光效由光源效率、配光系統(tǒng)的配光效率和驅(qū)動(dòng)電源效率三部分的乘積決定。一般來(lái)說(shuō)，LED PAR燈電源效率在80%～90%之間，配光效率也可以達(dá)到80%之上，要達(dá)到整燈光效在45lm/W的門(mén)檻值，則要求LED光源效率在70lm/W之上。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源壽命足夠長(zhǎng)，且輸出電流保持恒定的前提下，LED PAR燈的光參數(shù)及其光學(xué)壽命將主要是由LED光源自身性能及其散熱器的散熱效果決定。

在LED PAR燈中，能實(shí)現(xiàn)多高的功率因數(shù)和多低的諧波電流，完全由電源方案決定，此時(shí)可以依據(jù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇最經(jīng)濟(jì)的電源方案。表4給出一些國(guó)家或地區(qū)的EMC和能效認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LED PAR燈的功率因數(shù)和諧波的指標(biāo)要求。

表4 一些國(guó)家或地區(qū)對(duì)LED PAR燈的功率因數(shù)和諧波要求

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源尺寸不受限值的情況下，將諧波電流指標(biāo)控制在THD＜30%以內(nèi)，將功率因素指標(biāo)提高到0.90以上，對(duì)電氣工程師而言不是難事。但是，在LED PAR燈的應(yīng)用環(huán)境中，電源空間尺寸極其緊張，在兼顧其他性能 (譬如調(diào)光功能)的前提下，要實(shí)現(xiàn)30%以下的THD和0.90之上的功率因數(shù)，不是一件易事。表5列出幾種主流方案，并分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

從表5對(duì)比可以看出，所列出的4種方案，方案4是最佳的，因?yàn)樗鼭M足大部分區(qū)域的EMC和能效認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)它對(duì)可控硅調(diào)光器的匹配度以及調(diào)光效果都較好。如果LED PAR燈是為中國(guó)、美國(guó)或者歐洲特定客戶開(kāi)發(fā)，同時(shí)客戶的調(diào)光器型號(hào)被限定且和電源的匹配性不被抱怨的前提下，方案1也是比較好的選擇，因?yàn)樵摲桨赋墒欤煽啃暂^高。方案2和方案3的線路拓?fù)浔举|(zhì)是一樣的，不過(guò)前者是非隔離式，而后者是隔離式的，當(dāng)這兩個(gè)線路在輸出端的電解電容取值較大時(shí) (譬如2000μF)，可以將輸出電流紋波控制在可以接受的水平，但是PAR燈體內(nèi)電源空間有限，較難放置大值電容。另外，方案2和3電源輸出的的2倍工頻紋波會(huì)帶來(lái)數(shù)碼相機(jī)斑馬紋問(wèn)題，并且，帶可控硅調(diào)光器工作時(shí)出現(xiàn)頻閃的風(fēng)險(xiǎn)大于方案1和方案4的可控硅調(diào)光應(yīng)用。

表5 一些LED PAR燈的電源方案 (以220V輸入下的20W的PAR38為例)

4 結(jié)論

LED PAR燈的應(yīng)用環(huán)境對(duì)其光電性能要求較高，而LED PAR燈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)成為產(chǎn)品光電性能改善及認(rèn)證的主要障礙。通過(guò)本文的論述，得到的結(jié)論是:LED PAR的研發(fā)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)，依據(jù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和目標(biāo)客戶的特定要求來(lái)選擇最適合的電源方案。當(dāng)電源方案選擇合理，則有利于PAR燈的光學(xué)設(shè)計(jì)和調(diào)光控制，也能順利通過(guò)認(rèn)證測(cè)試。

［1］中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心．CQC3129—2010_反射型自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范 ［S］．

［2］全國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．GB 17625.1—2003(IEC 61000-3-2)諧波發(fā)射限值 ［S］．

［3］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB 17743—2007/CISPR 15:2005電氣照明和類似設(shè)備的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法 ［S］．

［4］Underwriters Laboratories Inc．．UL—1993 Self-Ballasted Lamp sand Lamp Adapters［S］．

［5］Underwriters Laboratories Inc．．UL—8750 LIGHT EMITTING DIODE(LED)LIGHT SOURCES FOR USE IN LIGHTING PRODUCTS ［S］．

［6］Underwriters Laboratories Inc．．UL—1310 Class2PowerUnits［S］．

［7］ENERGY STAR PARTNER．Program Requirements for Integral LED Lamps［S］．