低成本高性能的RED2102大功率節(jié)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(jié)能燈，尤其是替代大功率的節(jié)能燈還尚需時日。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題：

1. 可靠性：當輸入電壓出現(xiàn)波動時，除具有APFC(有源功率因數(shù)校正)電路外，一般的節(jié)能燈沒有功率控制功能。由于大功率節(jié)能燈的發(fā)熱量和元器件負荷本來就很大，當功率升高后，將會因不堪重負而引起燈失效。事實上，電網(wǎng)電壓是會發(fā)生波動的，而發(fā)電機、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題。另外開關(guān)次數(shù)也是節(jié)能燈的一個重要指標。

3. 高光效：發(fā)光效率除受燈管影響外，還取決于電子鎮(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：面對白熱化的市場競爭，沒有成本優(yōu)勢的設(shè)計方案是沒有市場前景的。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)相當發(fā)達，一個控制用的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IC和少量的外圍電路來解決燈功率的受控和低電流諧波問題呢?

二.RED2102節(jié)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(zhuǎn)換器)專利技術(shù)研發(fā)的節(jié)能燈專用IC。它驅(qū)動節(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，還同時實現(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比。

RED2102的特性：

l 長壽命，大于10000小時

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l 低成本的雙極晶體管CFL電路

l 可控制的預(yù)熱啟動電流

l 可控制點火電壓的斜率

l 電源電壓升高時，燈功率被自動限制

l 容性模式的檢測

l 自動的死區(qū)時間控制

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工作時通過一個簡單的磁環(huán)變壓器來驅(qū)動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輸出控制信號的合成作用迫使晶體管開關(guān)截止來控制鎮(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)不會遇到許多MOSFET鎮(zhèn)流器的相關(guān)問題。死區(qū)時間和容性模式等都由RED2102自動控制。CSOC驅(qū)動技術(shù)允許使用較小的雙極晶體管，成本低。

圖2是運用RED2102設(shè)計的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，通過磁環(huán)T1控制節(jié)能燈半橋式鎮(zhèn)流器中兩個Q1Q2雙極晶體管的開關(guān)周期與導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對燈功率的控制。從而使節(jié)能燈在實際使用時，更好地適應(yīng)電源電壓的波動。同時進行輸入電流諧波的校正，在成本增加不多的前提下，實現(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)計開發(fā)的45W節(jié)能燈的性能表現(xiàn)分別說明采用該方案后節(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)熱啟動與功率控制功能。

圖3 RED2102的工作模式

l 預(yù)熱啟動

從圖3可以看到，電路開始工作后立即進入預(yù)熱模式，經(jīng)過一段時間(小于

1s)后再進入啟動點火模式。由于RED2102具有預(yù)熱電流與點火電壓斜率的控制及通過鎮(zhèn)流器OCV(Open Circuit Voltage)的調(diào)節(jié)，節(jié)能燈的開關(guān)次數(shù)很容易達到30000次以上，滿足EuP第五階段(2013年9月1日起實施)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專利技術(shù)驅(qū)

動雙極晶體管工作，進入正常燃點模式后開關(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)計開發(fā)的45W節(jié)能燈鎮(zhèn)流器的工作效率高達93.5%，使節(jié)能燈的光效得到保證。樣品45W6500K節(jié)能燈的實測光效為75.4lm/W。達到了國家標準『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』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調(diào)節(jié)晶體管的導(dǎo)通時間與工作頻率。當電壓升高時，IC檢測到燈管電流增加后會自動提高鎮(zhèn)流器的工作頻率，從而對燈功率進行限制，實現(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，RED2102的功率比半橋LC高出5W;在AC270V時，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(zhèn)流器元器件免遭過負荷沖擊，還保持了燈管與鎮(zhèn)流器的匹配關(guān)系，延長了燈的使用壽命。這樣，可以使大功率節(jié)能燈也能夠在電壓波動大的地區(qū)、場所推廣使用。

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(zhèn)流器可以采用更小的晶體管及電感等器件來降低成本。

l 諧波電流的校正

圖5 諧波電流的標準與燈的實測值

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』標準的規(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次的諧波更遠低于標準的要求，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)能燈不僅省去了價格不菲的有源功率控制器電路中的CHOCK電感與MOSFET，還實現(xiàn)了APFC所沒有的預(yù)熱啟動控制。成本上有十分明顯的優(yōu)勢。如與半橋驅(qū)動IC相比，RED2102驅(qū)動的是雙極晶體管，成本低;同時它具有了半橋驅(qū)動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所，如候機廳、候車室、會議廳、工礦企業(yè)、商場酒樓、體育館等室內(nèi)場所及車站碼頭、廣場港口、體育場、球場等室外場所，它有著其他產(chǎn)品無可替代的優(yōu)勢，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，在性價比面前，都顯得黯然失色。

事實上，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

我們針對大功率節(jié)能燈亟需解決的問題，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際問題。

該燈達到的主要性能指標如下：

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

l 燈的光效高達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(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現(xiàn)的。由此可見，可以說RED2102 的解決方案是節(jié)能燈鎮(zhèn)流器設(shè)計開發(fā)的一次革命。