直連電網型LED燈管的防電擊方法

熊愛明

(1.上海睦涵信息科技有限公司，上海 200122;2.嘉興山蒲照明電器有限公司，浙江 嘉興 314001)

引言

T8燈管的G13燈座有非常悠久的歷史，幾乎等同于工商業線性照明的代名詞，在北美市場的燈頭數不少于40億個。LED技術的飛速發展，近幾年來光效已能達到傳統熒光燈2倍以上，而DLC(Design Lights Consortium)機構也在大力牽引LED光效往前發展，給節能帶來巨大的潛力。

由于傳統熒光燈保有量巨大，LED產品的替換存在著巨大的機會。按UL1993對LED替換光源的定義，存在著Type A、Type B 和Type C三種類型。Type A指的是直接替換型LED光源，無需改線，無需移除電子鎮流器；Type B指的是特殊用途的光源，這種光源用在燈具里，這種燈具要么在工廠為這種光源已經接好了線，要么作為翻新光源需要對原先的燈具進行改裝接線，LED的驅動元件是這種光源器件的組成部分；Type C指的是特殊用途的光源，這種光源用在燈具里，這種燈具要么在工廠為這種光源已經接好了線，要么作為翻新光源需要對原先的燈具進行改裝接線，LED的驅動在這種光源外部(或不是它組成部分)。

三個類別的光源產品，有著顯著的優缺點：Type A產品使用方便，但存在兼容型差和系統壽命短板的問題；Type B產品系統理想，但改線成本高，尤其換G13燈座人工成本非常昂貴；Type C性能優秀，但系統成本，改裝成本和維護成本都偏高。相比較而言，Type B燈管相比較而言，性能剛好夠用，如果解決了Type B安裝成本高的問題，將會成為主流產品。

1 Type B產品的實現方式和各自的問題

Type B TLED產品有兩類實現方式，一火線和零線從同側插腳接入；二火線從兩側插腳接入。這兩種方式都有一些弊端。第一種方式有兩個問題，第一個問題是首次替換時需要更換燈座，由于歷史技術原因，北美市場熒光燈大都使用瞬時啟動型鎮流器，這種鎮流器只需要配合短路燈座即可。所以要從同側兩個插腳接入火線零線時，需把燈座替換成非短接燈座，由于北美人工成本高，據市場調查，替換一個燈座成本達到7美元。第二個問題是后期更換時，如果燈管使用單端供電方式，更換時需要辨識燈管方向，使用便捷性下降。第二種方式使用相當方便，無需更換燈座，僅需簡單改線。但是在安裝燈管過程中，單端插入火線燈座時，另一側插腳被安裝者碰到，則可能通過人體對大地構成回路，引起致命電擊，如圖1所示。國內也有相關分析文獻[1]。某品牌商甚至斷言，因安全問題他們不打算給市場提供Type B的燈管產品[2]。

圖1 安裝電擊示意圖Fig.1 Electric shock of during installation

由于需求的存在，市場里出現了小量嘗試性的產品，一類在燈的兩頭各裝有微動開關，當燈管插入燈座后，微動開關被壓下。還有一類索性不做任何防護，甚至都沒有UL的安規認證。在中國市場上至今也存在大量這類不安全的產品。由于兩頭燈座間距離并不是理想的尺寸，距離偏大時，用微動開關方案反而產生大量投訴，主要集中在微動開關未閉合，導致燈點不亮。UL公司也出臺了相應認證標準，來確保產品的安全，最終并沒有形成大量的實際銷售。

2 電子式防觸電解決方案

電擊之所以對人致命，主要是通過心臟的電流超過一定值以后，引起心室纖維性顫動[3]，測試電路如圖2所示[4]。

圖2 電擊風險測試圖Fig.2 Risk of electric shock measurements

UL對測試泄漏電流有一個測試網絡，用這個網絡代表人體極限參數。如圖3所示，在V3位置測量值小于5MIU(Measurement Indication Unit，MIU是表征泄漏電流的單位，在60 Hz,1 MIU等于1 mA)，則符合安全測試。

圖3 泄漏電流測試輸入網絡Fig.3 Leakage current measurement circuit

網絡中0.22 μF電容在瞬態時可以視作短路，則設計中如果能區分網絡中是否存在500 Ω電阻即可。設想如果能有一個極短時間的電脈沖，由于時間足夠短，能量太小以至于不足以對人體產生傷害，在這個足夠短的時間內完成對安裝狀態的探測，則能夠保證安裝者在誤碰到帶電插腳時得到足夠的保護。

一般在驅動電源的整流橋后都會安裝一個濾波電容，在上電初期忽略其他器件，電流路徑的等效電路如圖4所示，在濾波電容和整流橋之間串接一個開關，那開關瞬間的動作時，流過開關電流峰值計算如下：

圖4 安裝正常(左)和人體接入電路(右)等效電路Fig.4 Leakage current measurement circuit

安裝正常時電流峰值計算公式

(1)

取Vinpk=50 V,Rfuse=10 Ω,初始狀態時Vcap=0

人體串入時，最大峰值電流計算公式

(2)

Vin取305 V時，Rfuse=10 Ω，初始狀態時Vcap=0

Ipk=0.8A

(3)

可見，兩者有顯著差別，可以用來做安裝狀態判別。

3 應用中的啟動風險和驗證

實際使用風險來源，是電網供電的不理想，從供電變壓器到燈管端物理距離過遠，導致饋電線路的分布電抗過大，檢測脈沖發出時，無法獲得相應的電流峰值，導致誤判為人體接入，燈管無法點亮。設脈沖動作電壓為V，忽略啟動回路電阻的影響，動作時間為t，令t<<8.3 ms，則可以認為檢測開關動作時電網輸入電壓保持不變則

(4)

如需要滿足檢測脈沖能夠可靠檢出，設檢測閾值為2 A，動作電壓100 V，檢測時間20 μs，則要求回路電感量

L≤V×dt/di=1 mH

(5)

即,如果動作電壓設定100 V，動作時間設為20 μs，檢測閾值設為2 A，從供電端到燈管的等效電感量≥1 mH時，會有無法檢出良好安裝的可能性導致燈管無法啟動。

圓形直導線計算公式

(6)

其中μ0為相當磁導率，l電線長度，r電線直徑。

把常用的美規11號線代入式(6)，1 km的導線，相當于2.7 mH電感量。查找國標配電網規劃設計技術導則[6]，對于經濟供電半徑，A,A+ 類不宜超過150 m，B類不宜超過250 m，C類不宜超過400 m，D類不宜超過500 m，雖然美國和中國國情有差異，在缺失美國相關供電規范情況下，以中國設計規范為參照，應該也相去不遠。

設計時，選擇檢測閾值1.5 A，檢測時間50 μs，動作電壓設定100 V，

L=3.3 mH

(7)

基本能確保在1 km的供電半徑內不會有啟動風險，考慮電網各點有容性負載的存在，更會大大改善啟動性能。

4 集成電路的框架和實現

由于是一種新式的保護方式，市面上并沒有相關的IC可供使用，需要定制IC實現相關的控制模式。IC原理框圖如圖5所示。

圖5 觸電防護IC設計原理框圖Fig.5 Diagram of shock protection IC

脈沖形成電路產生定寬的脈沖串，通過或門對驅動電子開關進行檢測。電流檢測電路對流過電子開關的電流進行檢測，達到設定閾值鎖存電路對狀態進行鎖存，保持電子開關閉合狀態。當人體模型接入電路，電流檢測電路無法達到設定閾值，則脈沖持續發出，直到電流達到設定閾值才保持電路長通。

5 TLED產品開發

圖6為一個帶有防觸電保護功能的驅動電路原理圖，紅框中是防觸電功能電路，U51是我們定制開發的IC，內含電子開關。U51串接在整流橋后的母線上，當U51得電后開始釋放測試脈沖，通過F1，整流橋BD1，濾波電容C1和U51構成閉合回路。當U51內置電子開關閉合時，輸入電壓對C1充電，充電脈沖電流正常時如式(1)所示，人體模型接入如式(2)所示。當電流達到閾值后，U51常閉，后端Buck電路正常啟動，驅動LED，點亮燈管。

圖6 帶有防觸電保護功能的驅動電路原理圖Fig.6 Schematic of drive circuit with protection against electric shock

當人體模式接入后，脈沖達不到閾值，會持續給C1進行脈沖式充電，當C1累積電壓達到Buck啟動電壓后，Buck會啟動把C1電壓拉低，重新開始充電，直到燈管可靠連接。否則會一直處于測試模式。

圖7為120 V和277 V下測試流過U51的電流波形，達到閾值。表1為測試模式下測試數據，在整個宣稱工作電壓范圍內，漏電流均小于UL規定的5 MIU(Measurement Indication Unit，MIU是表征泄漏電流的單位，在60 Hz,1 MIU等于1 mA)。

圖7 測試電流波形Fig.7 Waveform of the testing current

表1 測試模式下測試數據Table 1 Measured data under test mode

由檢測原理可知，檢測回路之前不能有差模電感，也不能接太大的共模電容，而產品還必須滿足美國FCC指定的相關EMC的要求，而電網的一直輸入線從另一頭經過1.2 m的距離回到驅動電源上，給產品EMC的設計帶來巨大的挑戰。PCB布局上需盡可能減少輸入線和輸出線之間的耦合。除此以外，Buck主開關和續流二極管的開關速度也要很仔細的調試，尋找適當的吸收參數。

圖9為實際的驅動電源圖片，框中為觸電防護模組。

圖9 雙端TLED的驅動電源Fig.9 PCBA of the TLED double ended driver

6 總結與展望

使用脈沖進行檢測的方式進行防觸電保護，是一項技術創新，已經獲得多個專利[7]與專利組合的授權，并實現了產品化。

本文中所采用的方法為串聯方式進行檢測，實際上基于脈沖測試的原理，也可以采用并聯方式進行檢測。此種方式有檢測電流小、成本更低的好處，缺點在于對并聯燈管支數有限制，需要進行更加精巧的設計以規避多燈啟動不了的風險。