延長LED照明系統(tǒng)使用壽命的方法解析

 交流電源線路中的瞬態(tài)浪涌事件，極易造成戶外LED照明設(shè)備損壞。在LED電源供應(yīng)器前端安裝浪涌保護(hù)組件，是既實惠又有效的解決方法，可在微秒時間內(nèi)抑制過壓瞬變，避免過熱情形發(fā)生，從而提高LED照明設(shè)備的可靠性并延長使用壽命。

全球大約有25%的能源消耗是由照明應(yīng)用產(chǎn)生，因此，讓照明更加節(jié)能對整體能源利用會帶來重大影響，也為其他應(yīng)用節(jié)省更多可用能源。立法勸阻人們使用白熾燈的立法，已經(jīng)成為LED照明設(shè)備需求增長的一個重要因素。與此同時，消費者和工業(yè)用戶對節(jié)能照明方案的興趣都日益高漲，進(jìn)一步刺激了市場對LED照明的需求。

LED效率(每瓦更高流明)、二次光學(xué)組件(更好的透鏡/反射鏡)，以及散熱的技術(shù)創(chuàng)新，使得LED照明逐漸取代了傳統(tǒng)的光源，如戶外應(yīng)用的水銀燈、金屬鹵素?zé)艏扳c燈。然而，戶外LED照明安裝起來會非常昂貴，投資的回報必須建立在更低的瓦數(shù)需求、更低的維護(hù)成本和更長的使用壽命。為了防止戶外LED在5年左右的投資回報期內(nèi)出現(xiàn)故障，高耐用性和可靠性至關(guān)重要。交流電源線路中的瞬態(tài)浪涌事件，對戶外LED照明燈具構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

抑制浪涌事件　延長照明壽命

每當(dāng)電氣設(shè)備打開或關(guān)閉時，過壓瞬變浪涌會影響到附近的交流電源線路。同樣，雷擊也會在交流電源線路中造成瞬變浪涌(圖1)，尤其是在室外環(huán)境中。間接雷擊能量會對戶外LED照明裝置產(chǎn)生不利影響。瞬態(tài)電壓保護(hù)是消除受電氣環(huán)境影響的現(xiàn)場故障的關(guān)鍵。無論是差模還是共模，燈具都極易受到損壞。

圖1　間接雷擊對交流電源線路的影響

.差模

燈具的L-N或L-L接線端子之間的高電壓/電流瞬變，會對電源模塊或LED模塊板中的組件造成損壞。

.共模

燈具的L-G(地)或N-G(地)接線端子之間的高電壓/電流瞬變，會破壞電源模塊或LED模塊板中的安全絕緣，包括LED到散熱器的絕緣。

為滿足過壓瞬變相關(guān)的重要法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)，LED照明設(shè)備制造商依賴于精心挑選的保險絲、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，以及瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管。美國正帶頭為一些室內(nèi)商業(yè)照明，以及室外道路、停車場和車庫照明，建立統(tǒng)一的性能和安全標(biāo)準(zhǔn)。

除了美國擁有一套自己的標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61000-4-5的過壓瞬變浪涌測試，是針對LED照明組件的全球性要求。此外，“一般照明用設(shè)備”IEC 61547中，還要求進(jìn)行電磁兼容(EMC)抗擾度測試。圖2顯示了測試電壓和電流上升時間和持續(xù)時間的兩個波形定義。測試波形是一個1.2x50μs開路電壓波形和一個8x20μs短路電流波形的組合。為了進(jìn)行該測試，在連接到燈具之前，通過將輸出對地短路而在浪涌發(fā)生器上，對指定的峰值電流進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖2　IEC 61000-4-5浪涌抗擾度測試波形：1.2×50μs開路電壓和8×20μs短路電流。

為了防止因浪涌能量造成的損壞，提高戶外照明裝置的可靠性、減少維護(hù)并延長使用壽命，強(qiáng)大的浪涌抑制電路必不可少。圖3所示的是通常納入到路燈浪涌保護(hù)電路中的各種組件。

圖3　LED路燈保護(hù)方案

MOV有助SPD抑制瞬變

在電源供應(yīng)器和諸如通常被置于LED驅(qū)動器前端的浪涌保護(hù)組件(Surge Protection Device，SPD)模塊的其他應(yīng)用中，金屬氧化物壓敏電阻技術(shù)是抑制瞬變的一種既實惠又極其有效的方法。MOV的設(shè)計目的，是在微秒時間內(nèi)鉗制過壓瞬變。然而，內(nèi)置于SPD模塊之中，MOV便會受到因中性點丟失或錯誤的安裝接線，引起的暫時過電壓條件的影響。這些條件會對MOV造成嚴(yán)重壓力，導(dǎo)致其經(jīng)歷熱失控，從而造成冒煙、過熱和可能的火災(zāi)。北美關(guān)于SPD的安全標(biāo)準(zhǔn)(包括UL1449)，定義了確保SPD安全的典型測試條件。過熱斷開保護(hù)是可靠的SPD設(shè)計的特點，目的在于保護(hù)MOV免受熱失控。

暴露于一次大浪涌或多次小浪涌之后，MOV的性能往往會逐步下降，從而導(dǎo)致MOV漏電流增加。即使在正常條件下(如120VAC/240VAC工作電壓)，這種退化也會增加MOV的溫度。至于MOV旁邊的一個過熱斷開裝置，可以被用來感測MOV，因其性能持續(xù)退化導(dǎo)致的溫度增加。當(dāng)MOV使用壽命結(jié)束時，過熱斷開裝置將打開電路，將退化的MOV從電路中移除，并防止災(zāi)難性的故障發(fā)生。

SPD加入壽命終止/更換指示機(jī)制

一旦MOV從電路中斷開連接，SPD不再提供浪涌抑制保護(hù)。為了防止之后的浪涌對燈具造成損壞，電路設(shè)計者應(yīng)采取一種能夠提醒維修人員SPD須要更換的方法。照明設(shè)計人員有兩種主要的SPD模塊配置類型可供選擇，這取決于他們的維護(hù)和保修策略：并聯(lián)和串聯(lián)浪涌保護(hù)組件。

.并聯(lián)

SPD模塊與負(fù)載并聯(lián)(圖4)。這里達(dá)到使用壽命終止條件的SPD模塊，被從電源上斷開，而AC/DC電源供應(yīng)器保持通電。照明裝置仍然運行，但電源供應(yīng)器和LED模塊，面對下一次浪涌不再得到保護(hù)。如今，SPD模塊上帶有充當(dāng)更換指示燈的小LED，如綠色的LED指示SPD模塊在線，紅色的LED指示SPD模塊掉線。

圖4　并聯(lián)SPD模塊

還可以通過使用一個照明管理中心，對SPD模塊是否須要更換進(jìn)行遠(yuǎn)程提示。在這個管理中心中，SPD模塊使用壽命終止指示線，連接至網(wǎng)絡(luò)化的智能照明系統(tǒng)，而毋須在每個燈具上都安裝指示燈。

.串聯(lián)

在這種配置中，SPD模塊與負(fù)載串聯(lián)(圖5)。SPD模塊在使用壽命終止時，被從電源上斷開，從而將燈熄滅，指示著須要撥打維修電話。斷開的SPD模塊不僅將燈熄滅，而且將AC/DC電源供應(yīng)器，從隨后的浪涌沖擊中隔離開來。這種配置越來越受到歡迎，是因為其在SPD模塊等待更換期間，保護(hù)了照明裝置投資。與并聯(lián)的SPD模塊配置中，更換整個照明裝置相比，更換一個串聯(lián)的SPD模塊也更為經(jīng)濟(jì)。

圖5　串聯(lián)SPD模塊

在LED電源模塊前端安裝SPD模塊，為照明系統(tǒng)提供了有效的保護(hù)。在這些SPD模塊中，安裝過熱斷開裝置，改善了它們的整體安全性，并使它們成功通過UL1449認(rèn)證。為了讓LED燈具的初始投資得以回報，設(shè)計人員必須在設(shè)計中納入SPD模塊更換指示的機(jī)制。