低成本高性能的RED2102大功率節(jié)能燈

標(biāo)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(jié)能燈，尤其是替代大功率的節(jié)能燈還尚需時(shí)日。因此，研究開發(fā)低成本高性能的大功率節(jié)能燈仍然很有必要。

開發(fā)大功率節(jié)能燈，目前主要面臨著以下幾方面的問(wèn)題：

1. 可靠性：當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，除具有APFC(有源功率因數(shù)校正)電路外，一般的節(jié)能燈沒(méi)有功率控制功能。由于大功率節(jié)能燈的發(fā)熱量和元器件負(fù)荷本來(lái)就很大，當(dāng)功率升高后，將會(huì)因不堪重負(fù)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(jī)、逆變器輸出的電壓就更不穩(wěn)定。所以，如將節(jié)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(jié)能燈，根據(jù)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(shù)的鎮(zhèn)流器不是成本高就是可靠性與壽命還存在問(wèn)題。另外開關(guān)次數(shù)也是節(jié)能燈的一個(gè)重要指標(biāo)。

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

4. 低成本：面對(duì)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)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(yīng)用在一些高端的節(jié)能燈上。

今天的半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，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(jié)能燈的性能與成本

RED2102是香港REDSEM公司運(yùn)用其擁有的CSOC(Controlled Self Oscillating Converter受控式自激振蕩轉(zhuǎn)換器)專利技術(shù)研發(fā)的節(jié)能燈專用IC。它驅(qū)動(dòng)節(jié)能燈常用的半橋LC串聯(lián)型鎮(zhèn)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(xiàn)了輸出功率控制與輸入諧波校正的功能，使節(jié)能燈具有非常高的性價(jià)比。

RED2102的特性：

l 長(zhǎng)壽命，大于10000小時(shí)

中國(guó)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(yù)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(cè)

l 自動(dòng)的死區(qū)時(shí)間控制

l 外圍元件數(shù)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(qū)動(dòng)晶體管基極使晶體管導(dǎo)通，并利用半橋LC串聯(lián)型電路自身的能量轉(zhuǎn)換和IC輸出控制信號(hào)的合成作用迫使晶體管開關(guān)截止來(lái)控制鎮(zhèn)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(zhèn)流器的相關(guān)問(wèn)題。死區(qū)時(shí)間和容性模式等都由RED2102自動(dòng)控制。CSOC驅(qū)動(dòng)技術(shù)允許使用較小的雙極晶體管，成本低。

圖2是運(yùn)用RED2102設(shè)計(jì)的45W節(jié)能燈的線路圖。

圖2中U1根據(jù)采集到的燈管電流大小，通過(guò)磁環(huán)T1控制節(jié)能燈半橋式鎮(zhèn)流器中兩個(gè)Q1Q2雙極晶體管的開關(guān)周期與導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈功率的控制。從而使節(jié)能燈在實(shí)際使用時(shí)，更好地適應(yīng)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(xiàn)了大功率節(jié)能燈性能及可靠性的提升。

2. RED2102節(jié)能燈的性能與成本

剛才介紹了RED2102的工作原理。下面結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)的45W節(jié)能燈的性能表現(xiàn)分別說(shuō)明采用該方案后節(jié)能燈的性能與成本。

圖3是節(jié)能燈各階段的工作模式，具有預(yù)熱啟動(dòng)與功率控制功能。

圖3 RED2102的工作模式

l 預(yù)熱啟動(dòng)

從圖3可以看到，電路開始工作后立即進(jìn)入預(yù)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(yù)熱電流與點(diǎn)火電壓斜率的控制及通過(guò)鎮(zhèn)流器OCV(Open Circuit Voltage)的調(diào)節(jié)，節(jié)能燈的開關(guān)次數(shù)很容易達(dá)到30000次以上，滿足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?yàn)樵揑C獨(dú)特的CSOC專利技術(shù)驅(qū)

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

我們與香港REDSEM公司應(yīng)用該IC合作設(shè)計(jì)開發(fā)的45W節(jié)能燈鎮(zhèn)流器的工作效率高達(dá)93.5%，使節(jié)能燈的光效得到保證。樣品45W6500K節(jié)能燈的實(shí)測(cè)光效為75.4lm/W。達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)『GB 19044-2003普通照明用自鎮(zhèn)流熒光燈能效限定值及能效等級(jí)』的1級(jí)要求。

l 功率控制

RED2102具有功率

限制功能。它利用檢測(cè)到的燈管電流來(lái)調(diào)節(jié)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間與工作頻率。當(dāng)電壓升高時(shí)，IC檢測(cè)到燈管電流增加后會(huì)自動(dòng)提高鎮(zhèn)流器的工作頻率，從而對(duì)燈功率進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)燈功率的控制。

圖4 RED2102的功率控制功能

圖4是常規(guī)半橋LC串聯(lián)型電路和RED2102電路節(jié)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(zhèn)流器的45W節(jié)能燈，燈功率與電源電壓成正比。

2)RED2102的45W節(jié)能燈從AC230V開始，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AC250V時(shí)，RED2102的功率比半橋LC高出5W;在AC270V時(shí)，RED2102的功率比半橋LC高出7W，功率相對(duì)高出了16%)

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

同樣道理。在不改變可靠性的條件下，因?yàn)榫哂泄β士刂乒δ埽琑ED2102方案能夠使鎮(zhèn)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(biāo)準(zhǔn)與燈的實(shí)測(cè)值

大于25W節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如圖5右下角紅線框內(nèi)的數(shù)據(jù)所示，該方案45W節(jié)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(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，電流的THD(總諧波含量)小于19%。

l RED2102節(jié)能燈的成本

我們知道，通常的節(jié)能燈鎮(zhèn)流器，其燈功率是與電源電壓成正比變化的。如果要使節(jié)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線圈與MOSFET及快恢復(fù)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(yīng)用。所以，雖然APFC電路在熒光燈鎮(zhèn)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(jié)能燈采用。

與性能接近的APFC電路相比，RED2102的節(jié)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(xiàn)了APFC所沒(méi)有的預(yù)熱啟動(dòng)控制。成本上有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。如與半橋驅(qū)動(dòng)IC相比，RED2102驅(qū)動(dòng)的是雙極晶體管，成本低;同時(shí)它具有了半橋驅(qū)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(yīng)用前景

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

事實(shí)上，一種解決方案的應(yīng)用推廣，成本起著至關(guān)重要的作用;否則，以今天的電子技術(shù)水平，開發(fā)出滿足節(jié)能燈這些性能要求的鎮(zhèn)流器不算難題。而使用RED2102解決方案的大功率節(jié)能燈，不僅有效解決了節(jié)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專利技術(shù)的RED2102低成本高性能的節(jié)能燈解決方案，在節(jié)能燈行業(yè)，尤其是大功率節(jié)能燈領(lǐng)域具有十分誘人的應(yīng)用前景。

四.結(jié)論

我們針對(duì)大功率節(jié)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(yùn)用RED2102 的解決方案，成功開發(fā)了典型的45W節(jié)能燈。

解決了目前節(jié)能燈使用中遇到的實(shí)際問(wèn)題。

該燈達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下：

l 開關(guān)次數(shù)30000次以上，預(yù)熱啟動(dòng)可以調(diào)控

l 燈的光效高達(dá)75lm/W，其中鎮(zhèn)流器的工作效率93.5%。

l 可以很好地適應(yīng)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(shù)0.98

這些性能是在低成本的條件下實(shí)現(xiàn)的。由此可見(jiàn)，可以說(shuō)RED2102 的解決方案是節(jié)能燈鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)開發(fā)的一次革命。