低壓供電LED燈具反向保護電路的節(jié)能研究

徐永紅

(利亞德智慧科技集團有限公司，廣東 深圳 518000)

引言

目前，隨著LED照明燈具的日益增多，室外照明、室內照明等許多地方都采用低壓直流電源為LED燈具供電，低壓直流供電系統(tǒng)相對使用安全，配電系統(tǒng)又容易達到設計要求也符合國家的照明配電設計規(guī)范，進而節(jié)省成本；但低壓直流接線對燈具來說需要區(qū)分正負極，故存在因人為因素的誤操作把正負極接錯線情況，不僅燈具不亮，還會有燒壞燈具同時又有損壞供電電源及線路的風險，有著火災的隱患；故要在燈具電路設計中考慮嵌入燈具防反接保護電路，并盡可能降低燈具防反接保護電路的電能損耗，達到既有保護效果而且節(jié)能的目的。

本文要解決的技術問題是研究一種低壓直流電源的燈具防反接保護電路，避免因人為的誤操作，在正負極接錯線時，僅僅燈具不亮且并不消耗電能、不會造成燈具電路和配電系統(tǒng)的損壞，接線正確后燈具能恢復正常工作，燈具系統(tǒng)加入防反接保護電路后，其防反接保護電路的耗能很低。

1 低壓直流電源LED燈具的防反接保護電路方式及存在的問題

1.1 防反接保護電路方式

目前市面上的低壓直流電源LED燈具通常采用兩種防反接保護電路方式：一種是二極管整流橋防反接保護方式，如圖1所示；另一種是一個二極管作防反接保護方式，如圖2所示。

注：100為整流橋，200為LED燈具驅動電路圖1 二極管整流橋防反接保護圖Fig.1 Anti reverse connection protection diagram of diode rectifier bridge

注：100為整流二極管，200為LED燈具驅動電路圖2 二極管作防反接保護圖Fig.2 Diode anti reverse connection protection diagram

二極管整流橋方式的特點是：無論是交流電源，還是直流電源都能使用；電流須經過二個二極管的PN結，每個二極管的PN結都有電壓損失。

一個二極管防反接方式的特點是：電路簡單、成本低。相比二極管整流橋方式，由于電流只經過一個二極管的PN結，二極管的PN結電壓損失只是前者的一半；缺點是不能接用同等電壓交流電源，但此種情況較少發(fā)生，一般用戶都配備相應電源。

1.2 防反接保護電路現有方式存在的問題

由圖1可知，P1、P2間電壓Uin與整流電路輸出P3、P4間電壓Uout相差兩個二極管串聯的壓降，中小功率燈具常用的整流二極管為硅管，單個PN結電壓為0.75～1.0 V，而大功率燈具中用整流二極管的單個PN結電壓為1.0～1.5 V，即總的壓降為1.5～3.0 V，在低壓大電流下將形成很大的功率耗損，也是燈具發(fā)熱和效率低的一個因素。圖2中雖省去三個整流二極管，但工作時仍有一個PN結電壓為1.0～1.5 V的損耗；除此之外，在采用大功率恒壓電源供電時，如線路較長，由于線路壓降再加上此防反接保護電路的壓降，將有可能造成末端供電電壓不足，對恒功率燈具還會造成惡性循環(huán)，產生燈串中的首個燈與尾端燈的亮度不一，甚至尾端燈會失控；若采用提高電壓方式，尾端燈雖正常了，但可能造成首個燈因超電壓而損壞。

2 低壓供電LED燈具反向保護電路的節(jié)能要求

低壓直流電源的燈具防反接保護電路按現在普通的做法，具有2%～10%的無效電能損失，故在現有技術的水平上，采用損耗很低方法來實現防反接保護電路的功能值得探討和研究。

2.1 反向保護電路節(jié)能設計原理

如圖3所示，采用一種低電壓降的且能防反接的保護電路，當輸入電源正負接反時，具有電路不導通的反向接錯保護，可以防止LED燈具驅動電路的損壞；防反接保護電路在電路正負極接反保護時，耗電近為零；防反接保護電路在電路正負極接線調整正確時，該電路的電能損耗很低，由此電路產生的電壓降很低。

注：100為防反向保護電路，200為LED燈具驅動電路圖3 反向保護電路節(jié)能設計圖Fig.3 Energy saving design drawing of reverse protection circuit

2.2 反向保護電路節(jié)能電路結構

根據現有的成熟技術，本文對低壓供電LED燈具反向保護電路節(jié)能電路進行研究，利用MOSFET管具有較低的導通電阻和較低的反向漏電流，符合防反接的保護電路所需的目標條件，如圖4[1]設計；

注：100為防反向保護電路，200為LED燈具驅動電路；101為P道溝MOSFET管，102為鉗壓二極管，103為限流電阻圖4 燈具反向保護電路節(jié)能電路結構圖Fig.4 Energy saving circuit structure diagram of lamp reverse protection circuit

電路原理是：當接線正確時，電流從Ui+進入，經MOSFET管101的D-S間二極管流向Uo+，向LED燈具驅動電路供電，此時MOSFET管101的D-S間二極管的電壓降約為0.75～1.2 V；同時在鉗壓二極管102和限流電阻103間產生電壓差，當此電壓超過MOSFET管的開啟電壓UGS時，MOSFET管導通并迅速以阻態(tài)形式拉低MOSFET管UDS的電壓降，降至0.2 V以下。

外接電源正負極線接錯時，電流從Ui-進入，經LED燈具驅動電路200至Uo+，再經P道溝MOSFET管101時，由于其D-S間二極管反向不通，故U-與Uo+間不產生電壓，P道溝MOSFET管101的UGS=0 V, MOSFET管截止，所經電路接反時不導通，保護了LED燈具驅動電路。

由于MOSFET管101的Usg有一個極限值和典型值，利用鉗壓二極管102保持MOSFET管101的Usg在輸入電壓高時能工作在最佳狀態(tài)；由于MOSFET管101的驅動電流Isg很小，所需流過鉗壓二極管102和限流電阻103間的偏置電流設計較小，避免產生較大的額外損耗；限流電阻103的阻值取LED燈具驅動電路200的最低設計工作電壓值減去鉗壓二極管102的鉗壓值后除以MOSFET管101開通的Isg值，實際使用時，為設計的可靠性再考慮元件的偏差，應下浮20%～30%的阻值。

2.3 反向保護電路節(jié)能電路的實例

(1)燈具電源設置

Uin=24VDC，Po=48 W，Io=2 A

(2)器件選擇

①MOSFET管BG1的選擇。

選擇P-Channel Enhancement Mode Power MOSFET；

選用型號：NCE40P05Y[2]，封裝為SOT-23-3L；

廠家產品數據參數：VDS=-40 V，ID=5.3 A，RDS<85 mΩ，VGS=-10 V；

IGS=±100nA，VGS(th)=-1.0 V；VGS=0 V,IS=-5 A

選用元件ID=5.3 A>>Io, 滿足設計要求。

②鉗壓二極管W1的選擇。

具體參數：VDS=-10 V，IDm=0.1 mA，Pmax=V×IDm=10×0.1=1.0 mW

選用型號： BZT52C10[3]，Izr=5 mA；封裝為SOD-123，Pd=500 mW>>Pmax,滿足設計要求。

③電阻R1的選擇

Uin=24 V 取Iwmin=0.1 mA>>IGS=±100 nA，滿足BG1的開通條件。

R1=Ur1/Ir1=(Uin-Uw1)/(Iwmin+Igs)=
(24-10)/(0.1+0.0001)≈
14/0.1(V/mA)=140 kΩ

(1)

R1的阻值按產品系列選用120 kΩ，核算耗散功率：

Pr1=Ur1^2/R1=(Uin-UW1)^2/R1=
14^2/120×10^3=0.00163 W=1.63 mW

(2)

R1的封裝選用0603的碳膜貼片電阻，Pr=100 mW>>Pr1，滿足設計要求。電路設計圖如圖5所示。

圖5 反向保護電路節(jié)能電路圖Fig.5 Energy saving circuit diagram of reverse protection circuit

3 低壓供電LED燈具反向保護電路節(jié)能電路實例節(jié)能對比分析

3.1 采用MOSFET管、鉗壓二極管與限流電阻(方案一)的能耗分析

MOSFET方案一的電路如圖5所示。

設計參數為：燈具電源電壓Uin=24 V，功率P=48 W，電流I=2.0 A

MOSFET管工作參數：ID=2.0 A，Rds=85 mΩ

MOSFET管工作耗散功率：

P1=ID×Rds=0.170 W

(3)

MOSFET管偏置電路耗散功率：

P2=Uin×Iw=Uin×(Uin-UW1)/R1=28 mW

(4)

電路總耗散功率：

P0=P1+P2=198 mW

(5)

電路產生壓降：

ΔU=ID×Rds=0.170 V

(6)

3.2 采用電阻偏置分壓(方案二)的能耗分析

方案二的原理圖如圖6所示，本方案主要工作原理與方案一相同，用分壓電阻104取代了鉗壓二極管W1，R值為R=VDS/IDm=100 kΩ，其他器件選型和參數也與方案一相同。

圖6 電阻偏置分壓原理圖Fig.6 Schematic diagram of resistance bias voltage division

方案二的優(yōu)點是電阻104的價格比鉗壓二極管低(2022年5月20日，網絡1688報價BZT52C10為0.034元/片，碳膜貼片電阻100 kΩ 0603為0.005元/片)，因此整個方案的成本略低；缺點是：在某些狀態(tài)下，第一電阻103和第二電阻104形成分壓致使P-溝 MOSFET管101的G電極與S電極間設置偏置電壓不在P-溝 MOSFET管101最佳工作狀態(tài)，致使MOSFET管出現未開通或半開通狀態(tài)，最佳節(jié)能的穩(wěn)定性效果差一些。

3.3 低壓直流電源LED燈具供電的電源電路能耗分析

(1)采用單個整流二極管(方案三)的能耗分析

方案三的原理圖如圖7所示。

圖7 單個整流二極管方案原理圖Fig.7 Curve: Schematic diagram of single rectifier diode scheme

設計參數為：燈具電壓Uin=24 V，燈具電流ID=2 A

整流二極管D1選用SS54[4]，VDC=40 V，I(AV)=5.0 A，VF=0.55 V

整流二極管耗散功率：

PD1=ID×VF=1.1 W

(7)

(2)采用二極管整流橋(方案四)的能耗分析

如圖1所示，從能耗分析的原理上來簡化等效電路，如圖7所示，區(qū)別在于D1成為兩個整流二極管串聯，則二極管整流橋的耗散功率為：

PD1=ID×2VF=2.2 W

(8)

此方案的優(yōu)點是可以采用交流供電，但光閃耀大，而用直流供電安裝接線時正、負極接線端可以不用區(qū)分，但造成的效率低、電路損耗大，因此得不償失。

3.4 四種方案對比分析

根據上述的四種方案，進行主要參數的對比分析，結果見表1。

通過對比表1數據，可以得出以下結論：

(1)MOSFET方案一的電路損耗較小，相比常用的方案四，提高效率91%，燈具驅動電路功率提高了4.37%；相比常用的方案三，提高效率82%，燈具驅動電路功率提高了1.92%。

(2)方案一MOSFET產生的電壓降較小，對后續(xù)電路影響較小。

(3)方案一的電路MOSFET損耗小，發(fā)熱少，更有利于燈具設計。

(4)上述是以燈具總功率48 W、電源24 V為例，若燈具總功率不變，電源為12 V或5 V時，產生的有益效果更多。

表1 幾種反向保護電路方案主要參數對比分析表(電源24 V，燈具總功率48 W)

4 采用MOSFET管、鉗壓二極管與限流電阻組成的低壓直流防反接保護電路節(jié)能效益分析

(1)環(huán)保節(jié)能效益

為避免景觀照明燈具在安裝、維護中的接線失誤造成燈具不可恢復性損壞，低壓燈具基本都在電源進線上設計了正向二極管，電源線反接時不導通，保護了燈具電路。此二極管在燈具工作時，損失電壓0.55～1.5 V。如果平均按1.0 V估算，對于24 V、24 W的燈具，工作電流為1 A，此處將消耗1 W電能，同時燈具內后面電路的電壓降低1 V，對后續(xù)電路工況不利。若采用方案一的電路，試驗時電壓損失0.05～0.1 V，按上述24 W燈具，消耗最多0.1 W電能，0.1 V的電壓降對燈具其他電路幾乎沒有影響，因此方案一具有節(jié)能和提升燈具品質的特點。如果一個項目使用了6萬盞24 W的燈，將節(jié)省電能54 kW；若每天亮燈5 h，年節(jié)省電能達到9.9萬度；同時因壓降造成尾端燈具不亮的情況也得到了改善。

(2)工程應用布燈效益

一般24 V(6燈珠一串)的恒流燈具工作電壓Uin≥21 V，采用方案一后，燈具工作電壓≥(21-1+0.1=20.1 V)。以下采用4個案例進行分析。

①350 W開關電源24 V后接2.5 mm2銅芯線3 m，之后每1.4 m一個24 W，共10盞恒功率燈具(內線1 mm2)，功率共240 W，末端電壓21.16 V，一般燈具可正常工作。

②350 W開關電源24 V后接2.5 mm2銅芯線3 m，之后每1.4 m一個24 W，共11盞恒功率燈具(內線1 mm2)，功率共264 W，末端電壓20.5382 V，采用方案一的燈具可正常工作。

③350 W開關電源24 V后接2.5 mm2銅芯線10 m，之后每1.4 m一個24 W，共8盞恒功率燈具，功率共192 W，末端電壓21.45 V，一般燈具可正常工作。

④350 W開關電源24 V后接2.5 mm2銅芯線10 m，之后每1.4 m一個24 W，共10盞恒功率燈具，功率共240 W，末端電壓20.194 V，采用方案一的燈具可正常工作。

由上述案例看出，在線路相同的情況，采用方案一至少可以多接入1盞燈具。

5 結論

采用MOSFET管、鉗壓二極管與限流電阻組成的低壓直流防反接保護電路的有益效果是解決了現有產品的防反接保護電路的不足，且改進方案結構和工藝簡單、加工成本低，提高了用電的安全性、實用性，消除了潛在的電氣安全隱患；MOSFET且該方案在工作時耗能低，提高了電路效率，具有高效、節(jié)能的社會效益和經濟效益。