反射型自鎮流LED燈認證要點及電源方案選擇

曹簫洪

(上海亞明照明有限公司電器開發部，上海 201801)

1 反射型自鎮流LED燈及其各組件之間的關聯

反射型自鎮流LED燈是指外形類似于帶有碗碟狀反射罩的PAR燈，含有LED光源和保持其穩定燃點所必需的元件并使之組成為一體的，用于替換傳統PAR系列鹵鎢燈的射燈。

根據碗碟狀反射罩的尺寸差別，PAR系列燈可以細分為PAR16、PAR20、PAR30和PAR38等，對應的可工作的最大輸出功率和輸出流明也依次增大。當PAR燈應用到不同照明場合及替換不同功率的鹵素燈時，對光束角及中心光強 (CBCP)等的要求是不同的，據此PAR燈又可以劃分為4類，分別是:投光、窄角、寬角和泛光四類，表1列出替換90W鹵素燈的PAR38 LED燈的一些主要數據。

表1 能源之星給出的PAR38 LED替換鹵素燈的主要光電指標要求

LED PAR燈組件主要包括:LED光源、光學系統 (反光杯、透鏡等)、驅動電源、結構件 (散熱器、塑料件、燈頭、散熱膠等的統稱)，它們之間的關系示意圖在圖1中給出，可以這樣來形容各組件的角色:

(1)LED光源是LED PAR燈的靈魂，COB光源和大功率LED顆粒陣列排布光源是兩種主要選擇，燈顯色指數的大小、光效的高低主要是由光源決定的。光學系統的設計，驅動電源的設計，甚至結構件的設計都是圍繞光源而展開的。

(2)光學系統是LED PAR燈的眼睛，主要包括反光杯和透鏡。光學系統將光源發出的光按照應用場合所需要的方式投射出來，設計良好的光學系統可以改善光學指標，譬如:提高CBCP、減少超出目標區域的雜散光、弱化光照范圍內非白光光圈、改善照度均勻性和顏色均勻性、霧化削弱眩光等。增強光學系統的透光性，可以增大整燈光效，但眩光現象就可能成為風險;光學系統材料的阻燃等級高，則對電源設計的約束條件就少，也容易通過產品的安全認證，但是一般來說，塑料透鏡在自身材料的透光性增強和阻燃等級提高上存在一定的矛盾，即透光性好的塑料的阻燃等級不高。

(3)驅動電源是LED PAR燈的心臟，是動力的來源，同時它也是PAR燈中最受詬病的“傷心”組件，因為PAR燈失效絕大部分原因來自于電源的失效。首先，電源可以為LED光源提供恒流驅動，以便讓LED燈珠有穩定的流明輸出;其次，目前的LED燈珠既是光源，更是熱源，輸入到燈珠中的電能有接近80%轉化為有害的焦耳熱，電源的壽命和可靠性因此而成為最大的受害者。并且，LED PAR燈在認證時，遇到的的障礙大多也是來自于電源。另外，當要求LED PAR燈具有調光功能時，如何保證電源和調光器的兼容度也是一個難題。

(4)結構件是LED PAR燈的肢體，它將PAR燈的其他組件聯結在一起，同時充當LED燈珠的散熱器，它可以顯著地減小LED顆粒到周圍環境的熱阻，以便限制LED光源溫度的過度上升。LED PAR燈的金屬散熱器是外露的，也沒有接安全地線，同時安放LED光源的鋁基板是直接擰緊在這個金屬部件上的，并且鋁基板上的銅箔層和驅動電源有電氣連接。換言之，LED PAR燈和傳統光源的PAR燈(如鹵素PAR燈和HID PAR燈)在安全認證上有很大的差別，即LED PAR燈燈體外露部分有金屬部件，有觸電風險，而傳統PAR燈外露部分是非金屬的，觸電風險小。另外，LED PAR燈的外形和尺寸類似于要替換的鹵素PAR燈，所以LED PAR燈中留給電源的空間尺寸就非常有限了。如果選定COB燈珠作光源，則光學系統需要采用反光杯來配光，反光杯的引入將進一步縮小留給電源的空間，此時如何保證電源的各項性能將是一個很大的考驗 (圖1)。

圖1 LED PAR燈各組件之間的關系示意圖

2 安全認證標準的解讀及其對LED PAR燈設計方案選擇的指導性

在開發LED PAR燈驅動電源之前，熟悉認證標準中的要求是很有必要的，這樣可以避免走彎路，表2列出和反射型自鎮流LED燈產品認證相關的國際和國內標準，其中安全認證和電磁兼容認證是強制性的，而能效認證和應用環境認證目前還是非強制性的，隨產品目標客戶的要求而定。譬如，LED PAR燈作為替換鹵素燈而進入北美市場，如果能通過替換門檻所要求的能效指標 (＞45lm/W，DOE能源之星所制定)，則有機會得到能源補貼，這對于增大產品競爭力是有幫助的。

表2 反射型自鎮流LED燈相關的認證標準

在LED PAR燈電源開發方面有實戰經驗的工程師都知道，LED PAR燈的安全和性能認證的難點集中在驅動電源上。通過上面對LED PAR燈各組件相互關系的論述而得知，電源組件成為認證問題焦點是受困于下面的事實:電源被安放在PAR燈結構件內一個狹小的空間中，并且受到LED燈珠發熱的炙烤。由于可供電源利用的空間狹小，電源線路板上的元器件相互之間的安全爬電距離較難保證，有時緊張到即便再多放一個0805的貼片電阻的空間都騰挪不出來，導致原本可以改善電源電氣性能的許多主措沒辦法實施;PAR燈工作在半封閉的燈筒內，即便環境溫度只有25°，但由于受LED光源的發熱炙烤，電源內部的空氣溫度都可能超過90°，再加上電源自身的發熱和溫升，所以電源線路板上的元器件的實測溫度較大，甚至超過認證標準所接受的安全溫度限度。雖然給電源灌封導熱系數大的散熱膠是有助于降低電源內部元器件溫度的，但是這會引起PAR燈總成本和總重量的顯著上升，而成本和總重量都是LED PAR燈必須控制的指標。

LED PAR燈的安全認證規范定義了許多測試項目，其中最關鍵的有兩個，即電氣強度及防觸電測試和關鍵零部件溫度測試，其中前者直接影響電源的設計方案選擇、鋁基板的選擇、光學透鏡材料選擇和與之相關的配光效果，而后者涉及到PAR燈結構件的材料選擇、電源線路板上元器件的選擇和熱管理。

LED PAR燈的電氣強度及防觸電測試是這樣來實施的:組裝完好的LED PAR燈，將電源輸入端的火線和零線短路，然后在火線和燈體外露金屬部件之間施加高壓并測量漏電流，如果漏電流在限值以下，則絕緣強度測試通過;然后通過檢驗透鏡和其他塑料件的阻燃等級 (UL標準)或者對其實施灼熱絲和球壓試驗 (CE標準)來評估燈體是否具有阻燃性。為了通過LED PAR燈電氣強度和防觸電測試，需要綜合考慮鋁基板和光學透鏡，這樣才能得到最合理的驅動電源方案。這其中，電能傳輸方式的確定是電源方案選擇中最糾結的選擇，因為電能直接傳輸電源 (即非隔離式電源)驅動的LED PAR燈在體積、效率、可靠性及成本等方面有諸多優勢，但是在絕緣強度測試、光學透鏡選擇及配光上比較棘手。是采用非隔離式電源方案，還是采取變壓器隔離式電源方案，可以綜合考慮下面若干因素而定:①選用的鋁基板中絕緣層的擊穿電壓和導熱系數;②電源交流輸入電壓大小 (120V?220V?277V?)和產品準備推往市場區域采用的認證標準;③準備采用COB光源、抑或大功率LED顆粒陣列排布光源;④客戶對整燈光效和光品 (CBCP、顯色性、雜散光等)是否有較高的期望。

對于絕緣強度測試，不同區域安全標準定義測試電壓的大小是不同的，日本市場和美國市場采用(2U+1000)V的方法，即2倍最大母線電壓加上1000V，而中國市場和歐洲市場采取的是加強絕緣評估方法，電氣強度測試施加的電壓等于4000V。在日本 (120V電網)和北美區域 (120V/277V電網)，LED PAR燈電源可以采取非隔離式方案，這樣電氣強度測試電壓將全部施加在鋁基板的絕緣層上，但由于在這兩個區域，電氣強度測試電壓在2kV之下，所以采用最常用的耐受2kV的鋁基板是切實可行的。中國和歐洲的絕緣強度測試電壓較高，對于一般耐受2kV的鋁基板，LED PAR燈采取非隔離式電源方案是不行的，因為測試電壓會擊穿鋁基板絕緣層并導致測試漏電流超過限值;采用4kV以上絕緣耐壓的鋁基板，雖然從原理上講是可以實施非隔離式電源方案的，但是如果鋁基板邊沿沒有完整的絕緣材料包繞，則鋁基板的銅箔層距離鋁基板的邊界必須設置在4mm之上，LED光源對鋁基板的利用率太低，燈體的橫截面尺寸就很難控制。也就是說，如果采取非隔離式驅動電源方案，則LED PAR燈要通過CCC和CE認證中的電氣強度測試，將不是一個容易的事。如果LED PAR燈電源采取隔離式方案，這個問題就迎刃而解，此時即便采用耐受2kV的鋁基板，只要隔離變壓器設計和工藝到位，則電源火線到燈體外露金屬部件間的漏電流會很小，可以輕松通過CE和CCC認證中對電氣強度項目的測試。

LED PAR燈燈體上有外露的金屬部件，燈通過了電氣強度測試，僅僅表明在燈體完好無損的情況下，客戶用手直接觸摸金屬部件是安全的。但是，如果PAR燈的透鏡損壞，客戶用手可以觸摸到鋁基板上的銅箔層，仍然會有觸電的風險。所以，LED PAR燈的安全認證也包括透鏡材料的檢驗，這就涉及到塑料透鏡的阻燃等級檢驗，或者玻璃透鏡破損后可達燈體內帶電體的孔隙尺寸的測量。玻璃透鏡的透光性好，但是抗震性差;塑料透鏡抗震性好，但是在阻燃等級和透光性上存在矛盾。在LED PAR燈中，要解決塑料透鏡在阻燃等級和透光性上的矛盾，既要順利通過安全認證中的防觸電測試，又要實現透光最大化，則Class-II電源方案 (又名LELV或者SELV電源)是一個理想選擇。Class-II電源須滿足三個基本特征:①隔離式電源;②在干燥的應用環境中，電源的輸出電壓必須小于60VDC(UL);在潮濕環境中，輸出電壓減半;如果是申請CUL認證，則輸出電壓須小于42.4VDC;③輸出功率小于100VA。采用Class-II電源方案來設計LED PAR燈，在安全認證時，將不再對塑料透鏡的阻燃等級作強制性要求，這樣就可以采用透光性好的透鏡材料，以便實現配光效果最佳化，這對于PAR燈通過“能效認證”也是大有幫助的。

LED PAR燈要通過安全認證，遇到的另外一個非常棘手的問題是如何將燈內相關元器件的溫度控制在安全標準規定的限值以下，表3給出一些UL(CUL)認證規定的元器件溫度限值 (基于熱電耦測試方法)。

表3 UL(CUL)認證的元器件溫度限值(基于熱電耦測試方法)

對于有較大輸出功率的LED PAR38燈 (譬如20W)，電源內部的環境溫度可達90°以上，要通過安全認證中的溫度測試，同時也為了提高驅動電源的可靠性及電解電容的壽命，延長LED PAR燈的使用年限，除了優化結構件散熱器的設計外，可以給電源灌封優良的導熱膠;另外，還可以考慮選用高溫元器件，譬如:①130°的電解電容;②125°的Y電容;③變壓器的絕緣等級采用Class F級。

3 EMC認證標準和能效認證標準的解讀及其對LED PAR燈設計方案選擇的指導性

EMC認證也涉及到許多測試項目，主要包括:傳導干擾、電場輻射干擾、磁場輻射干擾、諧波電流、Surge、EFT、ESD、電壓跌落等。對于LED PAR燈的EMC認證，通過傳導干擾測試和控制諧波電流這兩項是UL、CCC和CE標準都要求的，而其他EMC測試項目是否需要通過認證將視客戶要求而定。對LED PAR燈而言，能否通過EMC認證相關測試項目主要是由驅動電源的EMC設計決定的。

對于LED PAR燈的能效認證技術規范中要求的測試項目和上面的安全認證測試項目、EMC認證測試項目有很多是相互交叉的，這里僅列出CQC 3129—2010中不同的測試項目，分別是:功率因數、初始光參數值 (即老練1000小時后穩定的光學參數:流明、光效、顯色指數、中心光強)、長期燃點光參數值 (光通維持率，色溫維持率)、光通維持率降低到70%時的持續燃點時間 (整燈的光學壽命)。不同的能效標準對測試項目可能略有不同。對于能源之星標準來說，LED PAR燈替換鹵素燈的整燈光效門檻值是45lm/W。整燈光效由光源效率、配光系統的配光效率和驅動電源效率三部分的乘積決定。一般來說，LED PAR燈電源效率在80%～90%之間，配光效率也可以達到80%之上，要達到整燈光效在45lm/W的門檻值，則要求LED光源效率在70lm/W之上。當驅動電源壽命足夠長，且輸出電流保持恒定的前提下，LED PAR燈的光參數及其光學壽命將主要是由LED光源自身性能及其散熱器的散熱效果決定。

在LED PAR燈中，能實現多高的功率因數和多低的諧波電流，完全由電源方案決定，此時可以依據認證標準來選擇最經濟的電源方案。表4給出一些國家或地區的EMC和能效認證標準中對LED PAR燈的功率因數和諧波的指標要求。

表4 一些國家或地區對LED PAR燈的功率因數和諧波要求

當驅動電源尺寸不受限值的情況下，將諧波電流指標控制在THD＜30%以內，將功率因素指標提高到0.90以上，對電氣工程師而言不是難事。但是，在LED PAR燈的應用環境中，電源空間尺寸極其緊張，在兼顧其他性能 (譬如調光功能)的前提下，要實現30%以下的THD和0.90之上的功率因數，不是一件易事。表5列出幾種主流方案，并分析各自的優缺點。

從表5對比可以看出，所列出的4種方案，方案4是最佳的，因為它滿足大部分區域的EMC和能效認證標準，同時它對可控硅調光器的匹配度以及調光效果都較好。如果LED PAR燈是為中國、美國或者歐洲特定客戶開發，同時客戶的調光器型號被限定且和電源的匹配性不被抱怨的前提下，方案1也是比較好的選擇，因為該方案成熟，可靠性較高。方案2和方案3的線路拓撲本質是一樣的，不過前者是非隔離式，而后者是隔離式的，當這兩個線路在輸出端的電解電容取值較大時 (譬如2000μF)，可以將輸出電流紋波控制在可以接受的水平，但是PAR燈體內電源空間有限，較難放置大值電容。另外，方案2和3電源輸出的的2倍工頻紋波會帶來數碼相機斑馬紋問題，并且，帶可控硅調光器工作時出現頻閃的風險大于方案1和方案4的可控硅調光應用。

表5 一些LED PAR燈的電源方案 (以220V輸入下的20W的PAR38為例)

4 結論

LED PAR燈的應用環境對其光電性能要求較高，而LED PAR燈的結構特點成為產品光電性能改善及認證的主要障礙。通過本文的論述，得到的結論是:LED PAR的研發應根據產品的目標市場，依據認證標準的規范和目標客戶的特定要求來選擇最適合的電源方案。當電源方案選擇合理，則有利于PAR燈的光學設計和調光控制，也能順利通過認證測試。

［1］中國質量認證中心．CQC3129—2010_反射型自鎮流LED燈節能認證技術規范 ［S］．

［2］全國電磁兼容標準化技術委員會．GB 17625.1—2003(IEC 61000-3-2)諧波發射限值 ［S］．

［3］中國國家標準化管理委員會．GB 17743—2007/CISPR 15:2005電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法 ［S］．

［4］Underwriters Laboratories Inc．．UL—1993 Self-Ballasted Lamp sand Lamp Adapters［S］．

［5］Underwriters Laboratories Inc．．UL—8750 LIGHT EMITTING DIODE(LED)LIGHT SOURCES FOR USE IN LIGHTING PRODUCTS ［S］．

［6］Underwriters Laboratories Inc．．UL—1310 Class2PowerUnits［S］．

［7］ENERGY STAR PARTNER．Program Requirements for Integral LED Lamps［S］．