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照明設備損壞。在LED電源供應器前端安裝浪涌保護組件，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)、二次光學組件(更好的透鏡/反射鏡)，以及散熱的技術創(chuàng)新，使得LED照明逐漸取代了傳統(tǒng)的光源，如戶外應用的水銀燈、金屬鹵素燈及鈉燈。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照明燈具構成嚴重的威脅。

抑制浪涌事件　延長照明壽命

每當電氣設備打開或關閉時，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)電壓保護是消除受電氣環(huán)境影響的現(xiàn)場故障的關鍵。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的重要法規(guī)和安全標準，LED照明設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)一的性能和安全標準。

除了美國擁有一套自己的標準，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，“一般照明用設備”IEC 61547中，還要求進行電磁兼容(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行校準。

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、減少維護并延長使用壽命，強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電路中的各種組件。

圖3　LED路燈保護方案

MOV有助SPD抑制瞬變

在電源供應器和諸如通常被置于LED驅(qū)動器前端的浪涌保護組件(Surge Protection Device，SPD)模塊的其他應用中，金屬氧化物壓敏電阻技術是抑制瞬變的一種既實惠又極其有效的方法。MOV的設計目的，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造成嚴重壓力，導致其經(jīng)歷熱失控，從而造成冒煙、過熱和可能的火災。北美關于SPD的安全標準(包括UL1449)，定義了確保SPD安全的典型測試條件。過熱斷開保護是可靠的SPD設計的特點，目的在于保護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)退化導致的溫度增加。當MOV使用壽命結束時，過熱斷開裝置將打開電路，將退化的MOV從電路中移除，并防止災難性的故障發(fā)生。

SPD加入壽命終止/更換指示機制

一旦MOV從電路中斷開連接，SPD不再提供浪涌抑制保護。為了防止之后的浪涌對燈具造成損壞，電路設計者應采取一種能夠提醒維修人員SPD須要更換的方法。照明設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和保修策略：并聯(lián)和串聯(lián)浪涌保護組件。

.并聯(lián)

SPD模塊與負載并聯(lián)(圖4)。這里達到使用壽命終止條件的SPD模塊，被從電源上斷開，而AC/DC電源供應器保持通電。照明裝置仍然運行，但電源供應器和LED模塊，面對下一次浪涌不再得到保護。如今，SPD模塊上帶有充當更換指示燈的小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行遠程提示。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。

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。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認證。為了讓LED燈具的初始投資得以回報，設計人員必須在設計中納入SPD模塊更換指示的機制。