反射型自镇流LED灯认证要点及电源方案选择

曹箫洪

(上海亚明照明有限公司电器开发部，上海 201801)

1 反射型自镇流LED灯及其各组件之间的关联

反射型自镇流LED灯是指外形类似于带有碗碟状反射罩的PAR灯，含有LED光源和保持其稳定燃点所必需的元件并使之组成为一体的，用于替换传统PAR系列卤钨灯的射灯。

根据碗碟状反射罩的尺寸差别，PAR系列灯可以细分为PAR16、PAR20、PAR30和PAR38等，对应的可工作的最大输出功率和输出流明也依次增大。当PAR灯应用到不同照明场合及替换不同功率的卤素灯时，对光束角及中心光强 (CBCP)等的要求是不同的，据此PAR灯又可以划分为4类，分别是:投光、窄角、宽角和泛光四类，表1列出替换90W卤素灯的PAR38 LED灯的一些主要数据。

表1 能源之星给出的PAR38 LED替换卤素灯的主要光电指标要求

LED PAR灯组件主要包括:LED光源、光学系统 (反光杯、透镜等)、驱动电源、结构件 (散热器、塑料件、灯头、散热胶等的统称)，它们之间的关系示意图在图1中给出，可以这样来形容各组件的角色:

(1)LED光源是LED PAR灯的灵魂，COB光源和大功率LED颗粒阵列排布光源是两种主要选择，灯显色指数的大小、光效的高低主要是由光源决定的。光学系统的设计，驱动电源的设计，甚至结构件的设计都是围绕光源而展开的。

(2)光学系统是LED PAR灯的眼睛，主要包括反光杯和透镜。光学系统将光源发出的光按照应用场合所需要的方式投射出来，设计良好的光学系统可以改善光学指标，譬如:提高CBCP、减少超出目标区域的杂散光、弱化光照范围内非白光光圈、改善照度均匀性和颜色均匀性、雾化削弱眩光等。增强光学系统的透光性，可以增大整灯光效，但眩光现象就可能成为风险;光学系统材料的阻燃等级高，则对电源设计的约束条件就少，也容易通过产品的安全认证，但是一般来说，塑料透镜在自身材料的透光性增强和阻燃等级提高上存在一定的矛盾，即透光性好的塑料的阻燃等级不高。

(3)驱动电源是LED PAR灯的心脏，是动力的来源，同时它也是PAR灯中最受诟病的“伤心”组件，因为PAR灯失效绝大部分原因来自于电源的失效。首先，电源可以为LED光源提供恒流驱动，以便让LED灯珠有稳定的流明输出;其次，目前的LED灯珠既是光源，更是热源，输入到灯珠中的电能有接近80%转化为有害的焦耳热，电源的寿命和可靠性因此而成为最大的受害者。并且，LED PAR灯在认证时，遇到的的障碍大多也是来自于电源。另外，当要求LED PAR灯具有调光功能时，如何保证电源和调光器的兼容度也是一个难题。

(4)结构件是LED PAR灯的肢体，它将PAR灯的其他组件联结在一起，同时充当LED灯珠的散热器，它可以显著地减小LED颗粒到周围环境的热阻，以便限制LED光源温度的过度上升。LED PAR灯的金属散热器是外露的，也没有接安全地线，同时安放LED光源的铝基板是直接拧紧在这个金属部件上的，并且铝基板上的铜箔层和驱动电源有电气连接。换言之，LED PAR灯和传统光源的PAR灯(如卤素PAR灯和HID PAR灯)在安全认证上有很大的差别，即LED PAR灯灯体外露部分有金属部件，有触电风险，而传统PAR灯外露部分是非金属的，触电风险小。另外，LED PAR灯的外形和尺寸类似于要替换的卤素PAR灯，所以LED PAR灯中留给电源的空间尺寸就非常有限了。如果选定COB灯珠作光源，则光学系统需要采用反光杯来配光，反光杯的引入将进一步缩小留给电源的空间，此时如何保证电源的各项性能将是一个很大的考验 (图1)。

图1 LED PAR灯各组件之间的关系示意图

2 安全认证标准的解读及其对LED PAR灯设计方案选择的指导性

在开发LED PAR灯驱动电源之前，熟悉认证标准中的要求是很有必要的，这样可以避免走弯路，表2列出和反射型自镇流LED灯产品认证相关的国际和国内标准，其中安全认证和电磁兼容认证是强制性的，而能效认证和应用环境认证目前还是非强制性的，随产品目标客户的要求而定。譬如，LED PAR灯作为替换卤素灯而进入北美市场，如果能通过替换门槛所要求的能效指标 (＞45lm/W，DOE能源之星所制定)，则有机会得到能源补贴，这对于增大产品竞争力是有帮助的。

表2 反射型自镇流LED灯相关的认证标准

在LED PAR灯电源开发方面有实战经验的工程师都知道，LED PAR灯的安全和性能认证的难点集中在驱动电源上。通过上面对LED PAR灯各组件相互关系的论述而得知，电源组件成为认证问题焦点是受困于下面的事实:电源被安放在PAR灯结构件内一个狭小的空间中，并且受到LED灯珠发热的炙烤。由于可供电源利用的空间狭小，电源线路板上的元器件相互之间的安全爬电距离较难保证，有时紧张到即便再多放一个0805的贴片电阻的空间都腾挪不出来，导致原本可以改善电源电气性能的许多主措没办法实施;PAR灯工作在半封闭的灯筒内，即便环境温度只有25°，但由于受LED光源的发热炙烤，电源内部的空气温度都可能超过90°，再加上电源自身的发热和温升，所以电源线路板上的元器件的实测温度较大，甚至超过认证标准所接受的安全温度限度。虽然给电源灌封导热系数大的散热胶是有助于降低电源内部元器件温度的，但是这会引起PAR灯总成本和总重量的显著上升，而成本和总重量都是LED PAR灯必须控制的指标。

LED PAR灯的安全认证规范定义了许多测试项目，其中最关键的有两个，即电气强度及防触电测试和关键零部件温度测试，其中前者直接影响电源的设计方案选择、铝基板的选择、光学透镜材料选择和与之相关的配光效果，而后者涉及到PAR灯结构件的材料选择、电源线路板上元器件的选择和热管理。

LED PAR灯的电气强度及防触电测试是这样来实施的:组装完好的LED PAR灯，将电源输入端的火线和零线短路，然后在火线和灯体外露金属部件之间施加高压并测量漏电流，如果漏电流在限值以下，则绝缘强度测试通过;然后通过检验透镜和其他塑料件的阻燃等级 (UL标准)或者对其实施灼热丝和球压试验 (CE标准)来评估灯体是否具有阻燃性。为了通过LED PAR灯电气强度和防触电测试，需要综合考虑铝基板和光学透镜，这样才能得到最合理的驱动电源方案。这其中，电能传输方式的确定是电源方案选择中最纠结的选择，因为电能直接传输电源 (即非隔离式电源)驱动的LED PAR灯在体积、效率、可靠性及成本等方面有诸多优势，但是在绝缘强度测试、光学透镜选择及配光上比较棘手。是采用非隔离式电源方案，还是采取变压器隔离式电源方案，可以综合考虑下面若干因素而定:①选用的铝基板中绝缘层的击穿电压和导热系数;②电源交流输入电压大小 (120V?220V?277V?)和产品准备推往市场区域采用的认证标准;③准备采用COB光源、抑或大功率LED颗粒阵列排布光源;④客户对整灯光效和光品 (CBCP、显色性、杂散光等)是否有较高的期望。

对于绝缘强度测试，不同区域安全标准定义测试电压的大小是不同的，日本市场和美国市场采用(2U+1000)V的方法，即2倍最大母线电压加上1000V，而中国市场和欧洲市场采取的是加强绝缘评估方法，电气强度测试施加的电压等于4000V。在日本 (120V电网)和北美区域 (120V/277V电网)，LED PAR灯电源可以采取非隔离式方案，这样电气强度测试电压将全部施加在铝基板的绝缘层上，但由于在这两个区域，电气强度测试电压在2kV之下，所以采用最常用的耐受2kV的铝基板是切实可行的。中国和欧洲的绝缘强度测试电压较高，对于一般耐受2kV的铝基板，LED PAR灯采取非隔离式电源方案是不行的，因为测试电压会击穿铝基板绝缘层并导致测试漏电流超过限值;采用4kV以上绝缘耐压的铝基板，虽然从原理上讲是可以实施非隔离式电源方案的，但是如果铝基板边沿没有完整的绝缘材料包绕，则铝基板的铜箔层距离铝基板的边界必须设置在4mm之上，LED光源对铝基板的利用率太低，灯体的横截面尺寸就很难控制。也就是说，如果采取非隔离式驱动电源方案，则LED PAR灯要通过CCC和CE认证中的电气强度测试，将不是一个容易的事。如果LED PAR灯电源采取隔离式方案，这个问题就迎刃而解，此时即便采用耐受2kV的铝基板，只要隔离变压器设计和工艺到位，则电源火线到灯体外露金属部件间的漏电流会很小，可以轻松通过CE和CCC认证中对电气强度项目的测试。

LED PAR灯灯体上有外露的金属部件，灯通过了电气强度测试，仅仅表明在灯体完好无损的情况下，客户用手直接触摸金属部件是安全的。但是，如果PAR灯的透镜损坏，客户用手可以触摸到铝基板上的铜箔层，仍然会有触电的风险。所以，LED PAR灯的安全认证也包括透镜材料的检验，这就涉及到塑料透镜的阻燃等级检验，或者玻璃透镜破损后可达灯体内带电体的孔隙尺寸的测量。玻璃透镜的透光性好，但是抗震性差;塑料透镜抗震性好，但是在阻燃等级和透光性上存在矛盾。在LED PAR灯中，要解决塑料透镜在阻燃等级和透光性上的矛盾，既要顺利通过安全认证中的防触电测试，又要实现透光最大化，则Class-II电源方案 (又名LELV或者SELV电源)是一个理想选择。Class-II电源须满足三个基本特征:①隔离式电源;②在干燥的应用环境中，电源的输出电压必须小于60VDC(UL);在潮湿环境中，输出电压减半;如果是申请CUL认证，则输出电压须小于42.4VDC;③输出功率小于100VA。采用Class-II电源方案来设计LED PAR灯，在安全认证时，将不再对塑料透镜的阻燃等级作强制性要求，这样就可以采用透光性好的透镜材料，以便实现配光效果最佳化，这对于PAR灯通过“能效认证”也是大有帮助的。

LED PAR灯要通过安全认证，遇到的另外一个非常棘手的问题是如何将灯内相关元器件的温度控制在安全标准规定的限值以下，表3给出一些UL(CUL)认证规定的元器件温度限值 (基于热电耦测试方法)。

表3 UL(CUL)认证的元器件温度限值(基于热电耦测试方法)

对于有较大输出功率的LED PAR38灯 (譬如20W)，电源内部的环境温度可达90°以上，要通过安全认证中的温度测试，同时也为了提高驱动电源的可靠性及电解电容的寿命，延长LED PAR灯的使用年限，除了优化结构件散热器的设计外，可以给电源灌封优良的导热胶;另外，还可以考虑选用高温元器件，譬如:①130°的电解电容;②125°的Y电容;③变压器的绝缘等级采用Class F级。

3 EMC认证标准和能效认证标准的解读及其对LED PAR灯设计方案选择的指导性

EMC认证也涉及到许多测试项目，主要包括:传导干扰、电场辐射干扰、磁场辐射干扰、谐波电流、Surge、EFT、ESD、电压跌落等。对于LED PAR灯的EMC认证，通过传导干扰测试和控制谐波电流这两项是UL、CCC和CE标准都要求的，而其他EMC测试项目是否需要通过认证将视客户要求而定。对LED PAR灯而言，能否通过EMC认证相关测试项目主要是由驱动电源的EMC设计决定的。

对于LED PAR灯的能效认证技术规范中要求的测试项目和上面的安全认证测试项目、EMC认证测试项目有很多是相互交叉的，这里仅列出CQC 3129—2010中不同的测试项目，分别是:功率因数、初始光参数值 (即老练1000小时后稳定的光学参数:流明、光效、显色指数、中心光强)、长期燃点光参数值 (光通维持率，色温维持率)、光通维持率降低到70%时的持续燃点时间 (整灯的光学寿命)。不同的能效标准对测试项目可能略有不同。对于能源之星标准来说，LED PAR灯替换卤素灯的整灯光效门槛值是45lm/W。整灯光效由光源效率、配光系统的配光效率和驱动电源效率三部分的乘积决定。一般来说，LED PAR灯电源效率在80%～90%之间，配光效率也可以达到80%之上，要达到整灯光效在45lm/W的门槛值，则要求LED光源效率在70lm/W之上。当驱动电源寿命足够长，且输出电流保持恒定的前提下，LED PAR灯的光参数及其光学寿命将主要是由LED光源自身性能及其散热器的散热效果决定。

在LED PAR灯中，能实现多高的功率因数和多低的谐波电流，完全由电源方案决定，此时可以依据认证标准来选择最经济的电源方案。表4给出一些国家或地区的EMC和能效认证标准中对LED PAR灯的功率因数和谐波的指标要求。

表4 一些国家或地区对LED PAR灯的功率因数和谐波要求

当驱动电源尺寸不受限值的情况下，将谐波电流指标控制在THD＜30%以内，将功率因素指标提高到0.90以上，对电气工程师而言不是难事。但是，在LED PAR灯的应用环境中，电源空间尺寸极其紧张，在兼顾其他性能 (譬如调光功能)的前提下，要实现30%以下的THD和0.90之上的功率因数，不是一件易事。表5列出几种主流方案，并分析各自的优缺点。

从表5对比可以看出，所列出的4种方案，方案4是最佳的，因为它满足大部分区域的EMC和能效认证标准，同时它对可控硅调光器的匹配度以及调光效果都较好。如果LED PAR灯是为中国、美国或者欧洲特定客户开发，同时客户的调光器型号被限定且和电源的匹配性不被抱怨的前提下，方案1也是比较好的选择，因为该方案成熟，可靠性较高。方案2和方案3的线路拓扑本质是一样的，不过前者是非隔离式，而后者是隔离式的，当这两个线路在输出端的电解电容取值较大时 (譬如2000μF)，可以将输出电流纹波控制在可以接受的水平，但是PAR灯体内电源空间有限，较难放置大值电容。另外，方案2和3电源输出的的2倍工频纹波会带来数码相机斑马纹问题，并且，带可控硅调光器工作时出现频闪的风险大于方案1和方案4的可控硅调光应用。

表5 一些LED PAR灯的电源方案 (以220V输入下的20W的PAR38为例)

4 结论

LED PAR灯的应用环境对其光电性能要求较高，而LED PAR灯的结构特点成为产品光电性能改善及认证的主要障碍。通过本文的论述，得到的结论是:LED PAR的研发应根据产品的目标市场，依据认证标准的规范和目标客户的特定要求来选择最适合的电源方案。当电源方案选择合理，则有利于PAR灯的光学设计和调光控制，也能顺利通过认证测试。

［1］中国质量认证中心．CQC3129—2010_反射型自镇流LED灯节能认证技术规范 ［S］．

［2］全国电磁兼容标准化技术委员会．GB 17625.1—2003(IEC 61000-3-2)谐波发射限值 ［S］．

［3］中国国家标准化管理委员会．GB 17743—2007/CISPR 15:2005电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法 ［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］．