低成本高性能的RED2102大功率節能燈

標簽：LED 照明 光源

雖然今年LED照明燈的發(fā)展異常迅猛，但由于LED方案的成本、技術(shù)等原因，目前還不能完全替代節能燈，尤其是替代大功率的節能燈還尚需時(shí)日。因此，研究開(kāi)發(fā)低成本高性能的大功率節能燈仍然很有必要。

開(kāi)發(fā)大功率節能燈，目前主要面臨著(zhù)以下幾方面的問(wèn)題：

1. 可靠性：當輸入電壓出現波動(dòng)時(shí)，除具有APFC(有源功率因數校正)電路外，一般的節能燈沒(méi)有功率控制功能。由于大功率節能燈的發(fā)熱量和元器件負荷本來(lái)就很大，當功率升高后，將會(huì )因不堪重負而引起燈失效。事實(shí)上，電網(wǎng)電壓是會(huì )發(fā)生波動(dòng)的，而發(fā)電機、逆變器輸出的電壓就更不穩定。所以，如將節能燈的功率控制在安全值以下，燈的可靠性將會(huì )大大提升。

2. 高性能：大于25W的節能燈，根據IEC 61000-3-2/GB 17625.1的要求，三次諧波低于30λ、五次諧波低于10%。目前高功率因數的鎮流器不是成本高就是可靠性與壽命還存在問(wèn)題。另外開(kāi)關(guān)次數也是節能燈的一個(gè)重要指標。

3. 高光效：發(fā)光效率除受燈管影響外，還取決于電子鎮流器的工作效率。而鎮流器效率受到與燈管匹配的限制，因此開(kāi)發(fā)高效可靠的鎮流器也面臨著(zhù)不少困難。

4. 低成本：面對白熱化的市場(chǎng)競爭，沒(méi)有成本優(yōu)勢的設計方案是沒(méi)有市場(chǎng)前景的。如性能卓越的APFC電路，因其成本高的原因，目前只應用在一些高端的節能燈上。

今天的半導體工業(yè)已經(jīng)相當發(fā)達，一個(gè)控制用的IC可能比我們常用的IRF830 MOSFET還便宜。那么，能否有一種方案僅使用一個(gè)IC和少量的外圍電路來(lái)解決燈功率的受控和低電流諧波問(wèn)題呢?

二.RED2102節能燈的性能與成本

RED2102是香港REDSEM公司運用其擁有的CSOC(Controlled Self Oscillating Converter受控式自激振蕩轉換器)專(zhuān)利技術(shù)研發(fā)的節能燈專(zhuān)用IC。它驅動(dòng)節能燈常用的半橋LC串聯(lián)型鎮流器中的低成本的雙極晶體管。不僅成本低，還同時(shí)實(shí)現了輸出功率控制與輸入諧波校正的功能，使節能燈具有非常高的性?xún)r(jià)比。

RED2102的特性：

l 長(cháng)壽命，大于10000小時(shí)

中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源

l 低成本的雙極晶體管CFL電路

l 可控制的預熱啟動(dòng)電流

l 可控制點(diǎn)火電壓的斜率

l 電源電壓升高時(shí)，燈功率被自動(dòng)限制

l 容性模式的檢測

l 自動(dòng)的死區時(shí)間控制

l 外圍元件數量少，成本低

l IC功耗非常低，封裝小

1. RED2102的工作原理

RED2102工作時(shí)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的磁環(huán)變壓器來(lái)驅動(dòng)晶體管基極使晶體管導通，并利用半橋LC串聯(lián)型電路自身的能量轉換和IC輸出控制信號的合成作用迫使晶體管開(kāi)關(guān)截止來(lái)控制鎮流器的工作頻率，如圖1所示。

圖1 CSOC技術(shù)的工作原理

CSOC技術(shù)不會(huì )遇到許多MOSFET鎮流器的相關(guān)問(wèn)題。死區時(shí)間和容性模式等都由RED2102自動(dòng)控制。CSOC驅動(dòng)技術(shù)允許使用較小的雙極晶體管，成本低。

圖2是運用RED2102設計的45W節能燈的線(xiàn)路圖。

圖2中U1根據采集到的燈管電流大小，通過(guò)磁環(huán)T1控制節能燈半橋式鎮流器中兩個(gè)Q1Q2雙極晶體管的開(kāi)關(guān)周期與導通時(shí)間，實(shí)現對燈功率的控制。從而使節能燈在實(shí)際使用時(shí)，更好地適應電源電壓的波動(dòng)。同時(shí)進(jìn)行輸入電流諧波的校正，在成本增加不多的前提下，實(shí)現了大功率節能燈性能及可靠性的提升。

2. RED2102節能燈的性能與成本

剛才介紹了RED2102的工作原理。下面結合設計開(kāi)發(fā)的45W節能燈的性能表現分別說(shuō)明采用該方案后節能燈的性能與成本。

圖3是節能燈各階段的工作模式，具有預熱啟動(dòng)與功率控制功能。

圖3 RED2102的工作模式

l 預熱啟動(dòng)

從圖3可以看到，電路開(kāi)始工作后立即進(jìn)入預熱模式，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(小于

1s)后再進(jìn)入啟動(dòng)點(diǎn)火模式。由于RED2102具有預熱電流與點(diǎn)火電壓斜率的控制及通過(guò)鎮流器OCV(Open Circuit Voltage)的調節，節能燈的開(kāi)關(guān)次數很容易達到30000次以上，滿(mǎn)足EuP第五階段(2013年9月1日起實(shí)施)的要求。

l 工作效率

RED2102不僅自身的功耗非常低，而且因為該IC獨特的CSOC專(zhuān)利技術(shù)驅

動(dòng)雙極晶體管工作，進(jìn)入正常燃點(diǎn)模式后開(kāi)關(guān)損耗低，鎮流器工作效率高。

我們與香港REDSEM公司應用該IC合作設計開(kāi)發(fā)的45W節能燈鎮流器的工作效率高達93.5%，使節能燈的光效得到保證。樣品45W6500K節能燈的實(shí)測光效為75.4lm/W。達到了國家標準『GB 19044-2003普通照明用自鎮流熒光燈能效限定值及能效等級』的1級要求。

l 功率控制

RED2102具有功率

限制功能。它利用檢測到的燈管電流來(lái)調節晶體管的導通時(shí)間與工作頻率。當電壓升高時(shí)，IC檢測到燈管電流增加后會(huì )自動(dòng)提高鎮流器的工作頻率，從而對燈功率進(jìn)行限制，實(shí)現燈功率的控制。

圖4 RED2102的功率控制功能

圖4是常規半橋LC串聯(lián)型電路和RED2102電路節能燈功率與輸入電壓之間的關(guān)系，從中可以看到：

1)通常的半橋LC串聯(lián)型鎮流器的45W節能燈，燈功率與電源電壓成正比。

2)RED2102的45W節能燈從AC230V開(kāi)始，燈功率被限制在43.5W以下，AC220V~270V的功率變化小于2%，AC220V~300V的功率變化小于5%.

(在A(yíng)C250V時(shí)，RED2102的功率比半橋LC高出5W;在A(yíng)C270V時(shí)，RED2102的功率比半橋LC高出7W，功率相對高出了16%)

我們知道，RED2102具有的功率控制功能，不僅使鎮流器元器件免遭過(guò)負荷沖擊，還保持了燈管與鎮流器的匹配關(guān)系，延長(cháng)了燈的使用壽命。這樣，可以使大功率節能燈也能夠在電壓波動(dòng)大的地區、場(chǎng)所推廣使用。

同樣道理。在不改變可靠性的條件下，因為具有功率控制功能，RED2102方案能夠使鎮流器可以采用更小的晶體管及電感等器件來(lái)降低成本。

l 諧波電流的校正

圖5 諧波電流的標準與燈的實(shí)測值

大于25W節能燈的諧波電流必須符合『IEC 61000-3-2/GB 17625.1-2003電磁

兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值』標準的規定。如圖5右下角紅線(xiàn)框內的數據所示，該方案45W節能燈的3次諧波為18.5%、5次諧波為2.5%，而7次、9次及11次的諧波更遠低于標準的要求，電流的THD(總諧波含量)小于19%。

l RED2102節能燈的成本

我們知道，通常的節能燈鎮流器，其燈功率是與電源電壓成正比變化的。如果要使節能燈具有功率控制功能，常用的方法是采用APFC電路，其原理是在整流器與輸出電容器之間串聯(lián)有源功率控制器。有源功率控制器電路不僅需要控制用的IC，還要有CHOCK線(xiàn)圈與MOSFET及快恢復二極管配合工作。如圖6所示。

圖6 升壓式APFC 工作原理

圖6中除控制用的IC外，CHOCK線(xiàn)圈L與MOSFET Q及二極管D都是功率器件，它們的成本與燈功率密切相關(guān)。燈功率越大，其成本就越高。因此難以在大功率燈上推廣應用。所以，雖然APFC電路在熒光燈鎮流器中廣泛使用，但因受成本與體積的限制，僅被部分高端的節能燈采用。

與性能接近的APFC電路相比，RED2102的節能燈不僅省去了價(jià)格不菲的有源功率控制器電路中的CHOCK電感與MOSFET，還實(shí)現了APFC所沒(méi)有的預熱啟動(dòng)控制。成本上有十分明顯的優(yōu)勢。如與半橋驅動(dòng)IC相比，RED2102驅動(dòng)的是雙極晶體管，成本低;同時(shí)它具有了半橋驅動(dòng)IC所不具備的功率控制與電流諧波的校正功能。在同樣的成本下，性能勝出一籌。

三.RED2102技術(shù)的應用前景

大功率節能燈廣泛地應用在照明要求較高的場(chǎng)所，如候機廳、候車(chē)室、會(huì )議廳、工礦企業(yè)、商場(chǎng)酒樓、體育館等室內場(chǎng)所及車(chē)站碼頭、廣場(chǎng)港口、體育場(chǎng)、球場(chǎng)等室外場(chǎng)所，它有著(zhù)其他產(chǎn)品無(wú)可替代的優(yōu)勢，不管是傳統的高壓氣體放電燈還是新興的LED照明產(chǎn)品，在性?xún)r(jià)比面前，都顯得黯然失色。

事實(shí)上，一種解決方案的應用推廣，成本起著(zhù)至關(guān)重要的作用;否則，以今天的電子技術(shù)水平，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足節能燈這些性能要求的鎮流器不算難題。而使用RED2102解決方案的大功率節能燈，不僅有效解決了節能燈在可靠性、高性能、高光效等方面遇到的問(wèn)題，更讓人信服的是其出色的成本控制。

由于RED2102不但具有良好的性能，而且成本低廉。所以，擁有COSC專(zhuān)利技術(shù)的RED2102低成本高性能的節能燈解決方案，在節能燈行業(yè)，尤其是大功率節能燈領(lǐng)域具有十分誘人的應用前景。

四.結論

我們針對大功率節能燈亟需解決的問(wèn)題，探索如何在低成本的條件下提升其性能與可靠性，并運用RED2102 的解決方案，成功開(kāi)發(fā)了典型的45W節能燈。

解決了目前節能燈使用中遇到的實(shí)際問(wèn)題。

該燈達到的主要性能指標如下：

l 開(kāi)關(guān)次數30000次以上，預熱啟動(dòng)可以調控

l 燈的光效高達75lm/W，其中鎮流器的工作效率93.5%。

l 可以很好地適應電源電壓的波動(dòng)(AC220V~270V的功率變化小于2%，AC220V~300V的功率變化小于5%)。

l THD 19%，功率因數0.98

這些性能是在低成本的條件下實(shí)現的。由此可見(jiàn)，可以說(shuō)RED2102 的解決方案是節能燈鎮流器設計開(kāi)發(fā)的一次革命。