低压供电LED灯具反向保护电路的节能研究

2023-01-11徐永红

照明工程学报 2022年6期

徐永红

(利亚德智慧科技集团有限公司，广东深圳 518000)

引言

目前，随着LED照明灯具的日益增多，室外照明、室内照明等许多地方都采用低压直流电源为LED灯具供电，低压直流供电系统相对使用安全，配电系统又容易达到设计要求也符合国家的照明配电设计规范，进而节省成本；但低压直流接线对灯具来说需要区分正负极，故存在因人为因素的误操作把正负极接错线情况，不仅灯具不亮，还会有烧坏灯具同时又有损坏供电电源及线路的风险，有着火灾的隐患；故要在灯具电路设计中考虑嵌入灯具防反接保护电路，并尽可能降低灯具防反接保护电路的电能损耗，达到既有保护效果而且节能的目的。

本文要解决的技术问题是研究一种低压直流电源的灯具防反接保护电路，避免因人为的误操作，在正负极接错线时，仅仅灯具不亮且并不消耗电能、不会造成灯具电路和配电系统的损坏，接线正确后灯具能恢复正常工作，灯具系统加入防反接保护电路后，其防反接保护电路的耗能很低。

1 低压直流电源LED灯具的防反接保护电路方式及存在的问题

1.1 防反接保护电路方式

目前市面上的低压直流电源LED灯具通常采用两种防反接保护电路方式：一种是二极管整流桥防反接保护方式，如图1所示；另一种是一个二极管作防反接保护方式，如图2所示。

注：100为整流桥，200为LED灯具驱动电路图1 二极管整流桥防反接保护图Fig.1 Anti reverse connection protection diagram of diode rectifier bridge

注：100为整流二极管，200为LED灯具驱动电路图2 二极管作防反接保护图Fig.2 Diode anti reverse connection protection diagram

二极管整流桥方式的特点是：无论是交流电源，还是直流电源都能使用；电流须经过二个二极管的PN结，每个二极管的PN结都有电压损失。

一个二极管防反接方式的特点是：电路简单、成本低。相比二极管整流桥方式，由于电流只经过一个二极管的PN结，二极管的PN结电压损失只是前者的一半；缺点是不能接用同等电压交流电源，但此种情况较少发生，一般用户都配备相应电源。

1.2 防反接保护电路现有方式存在的问题

由图1可知，P1、P2间电压Uin与整流电路输出P3、P4间电压Uout相差两个二极管串联的压降，中小功率灯具常用的整流二极管为硅管，单个PN结电压为0.75～1.0 V，而大功率灯具中用整流二极管的单个PN结电压为1.0～1.5 V，即总的压降为1.5～3.0 V，在低压大电流下将形成很大的功率耗损，也是灯具发热和效率低的一个因素。图2中虽省去三个整流二极管，但工作时仍有一个PN结电压为1.0～1.5 V的损耗；除此之外，在采用大功率恒压电源供电时，如线路较长，由于线路压降再加上此防反接保护电路的压降，将有可能造成末端供电电压不足，对恒功率灯具还会造成恶性循环，产生灯串中的首个灯与尾端灯的亮度不一，甚至尾端灯会失控；若采用提高电压方式，尾端灯虽正常了，但可能造成首个灯因超电压而损坏。

2 低压供电LED灯具反向保护电路的节能要求

低压直流电源的灯具防反接保护电路按现在普通的做法，具有2%～10%的无效电能损失，故在现有技术的水平上，采用损耗很低方法来实现防反接保护电路的功能值得探讨和研究。

2.1 反向保护电路节能设计原理

如图3所示，采用一种低电压降的且能防反接的保护电路，当输入电源正负接反时，具有电路不导通的反向接错保护，可以防止LED灯具驱动电路的损坏；防反接保护电路在电路正负极接反保护时，耗电近为零；防反接保护电路在电路正负极接线调整正确时，该电路的电能损耗很低，由此电路产生的电压降很低。

注：100为防反向保护电路，200为LED灯具驱动电路图3 反向保护电路节能设计图Fig.3 Energy saving design drawing of reverse protection circuit

2.2 反向保护电路节能电路结构

根据现有的成熟技术，本文对低压供电LED灯具反向保护电路节能电路进行研究，利用MOSFET管具有较低的导通电阻和较低的反向漏电流，符合防反接的保护电路所需的目标条件，如图4[1]设计；

注：100为防反向保护电路，200为LED灯具驱动电路；101为P道沟MOSFET管，102为钳压二极管，103为限流电阻图4 灯具反向保护电路节能电路结构图Fig.4 Energy saving circuit structure diagram of lamp reverse protection circuit

电路原理是：当接线正确时，电流从Ui+进入，经MOSFET管101的D-S间二极管流向Uo+，向LED灯具驱动电路供电，此时MOSFET管101的D-S间二极管的电压降约为0.75～1.2 V；同时在钳压二极管102和限流电阻103间产生电压差，当此电压超过MOSFET管的开启电压UGS时，MOSFET管导通并迅速以阻态形式拉低MOSFET管UDS的电压降，降至0.2 V以下。

外接电源正负极线接错时，电流从Ui-进入，经LED灯具驱动电路200至Uo+，再经P道沟MOSFET管101时，由于其D-S间二极管反向不通，故U-与Uo+间不产生电压，P道沟MOSFET管101的UGS=0 V, MOSFET管截止，所经电路接反时不导通，保护了LED灯具驱动电路。

由于MOSFET管101的Usg有一个极限值和典型值，利用钳压二极管102保持MOSFET管101的Usg在输入电压高时能工作在最佳状态；由于MOSFET管101的驱动电流Isg很小，所需流过钳压二极管102和限流电阻103间的偏置电流设计较小，避免产生较大的额外损耗；限流电阻103的阻值取LED灯具驱动电路200的最低设计工作电压值减去钳压二极管102的钳压值后除以MOSFET管101开通的Isg值，实际使用时，为设计的可靠性再考虑元件的偏差，应下浮20%～30%的阻值。

2.3 反向保护电路节能电路的实例

(1)灯具电源设置

Uin=24VDC，Po=48 W，Io=2 A

(2)器件选择

①MOSFET管BG1的选择。

选择P-Channel Enhancement Mode Power MOSFET；

选用型号：NCE40P05Y[2]，封装为SOT-23-3L；

厂家产品数据参数：VDS=-40 V，ID=5.3 A，RDS<85 mΩ，VGS=-10 V；

IGS=±100nA，VGS(th)=-1.0 V；VGS=0 V,IS=-5 A

选用元件ID=5.3 A>>Io, 满足设计要求。

②钳压二极管W1的选择。

具体参数：VDS=-10 V，IDm=0.1 mA，Pmax=V×IDm=10×0.1=1.0 mW

选用型号： BZT52C10[3]，Izr=5 mA；封装为SOD-123，Pd=500 mW>>Pmax,满足设计要求。

③电阻R1的选择

Uin=24 V 取Iwmin=0.1 mA>>IGS=±100 nA，满足BG1的开通条件。

R1=Ur1/Ir1=(Uin-Uw1)/(Iwmin+Igs)=
(24-10)/(0.1+0.0001)≈
14/0.1(V/mA)=140 kΩ

(1)

R1的阻值按产品系列选用120 kΩ，核算耗散功率：

Pr1=Ur1^2/R1=(Uin-UW1)^2/R1=
14^2/120×10^3=0.00163 W=1.63 mW

(2)

R1的封装选用0603的碳膜贴片电阻，Pr=100 mW>>Pr1，满足设计要求。电路设计图如图5所示。

图5 反向保护电路节能电路图Fig.5 Energy saving circuit diagram of reverse protection circuit

3 低压供电LED灯具反向保护电路节能电路实例节能对比分析

3.1 采用MOSFET管、钳压二极管与限流电阻(方案一)的能耗分析

MOSFET方案一的电路如图5所示。

设计参数为：灯具电源电压Uin=24 V，功率P=48 W，电流I=2.0 A

MOSFET管工作参数：ID=2.0 A，Rds=85 mΩ

MOSFET管工作耗散功率：

P1=ID×Rds=0.170 W

(3)

MOSFET管偏置电路耗散功率：

P2=Uin×Iw=Uin×(Uin-UW1)/R1=28 mW

(4)

电路总耗散功率：

P0=P1+P2=198 mW

(5)

电路产生压降：

ΔU=ID×Rds=0.170 V

(6)

3.2 采用电阻偏置分压(方案二)的能耗分析

方案二的原理图如图6所示，本方案主要工作原理与方案一相同，用分压电阻104取代了钳压二极管W1，R值为R=VDS/IDm=100 kΩ，其他器件选型和参数也与方案一相同。

图6 电阻偏置分压原理图Fig.6 Schematic diagram of resistance bias voltage division

方案二的优点是电阻104的价格比钳压二极管低(2022年5月20日，网络1688报价BZT52C10为0.034元/片，碳膜贴片电阻100 kΩ 0603为0.005元/片)，因此整个方案的成本略低；缺点是：在某些状态下，第一电阻103和第二电阻104形成分压致使P-沟 MOSFET管101的G电极与S电极间设置偏置电压不在P-沟 MOSFET管101最佳工作状态，致使MOSFET管出现未开通或半开通状态，最佳节能的稳定性效果差一些。

3.3 低压直流电源LED灯具供电的电源电路能耗分析

(1)采用单个整流二极管(方案三)的能耗分析

方案三的原理图如图7所示。

图7 单个整流二极管方案原理图Fig.7 Curve: Schematic diagram of single rectifier diode scheme

设计参数为：灯具电压Uin=24 V，灯具电流ID=2 A

整流二极管D1选用SS54[4]，VDC=40 V，I(AV)=5.0 A，VF=0.55 V

整流二极管耗散功率：

PD1=ID×VF=1.1 W

(7)

(2)采用二极管整流桥(方案四)的能耗分析

如图1所示，从能耗分析的原理上来简化等效电路，如图7所示，区别在于D1成为两个整流二极管串联，则二极管整流桥的耗散功率为：

PD1=ID×2VF=2.2 W

(8)

此方案的优点是可以采用交流供电，但光闪耀大，而用直流供电安装接线时正、负极接线端可以不用区分，但造成的效率低、电路损耗大，因此得不偿失。

3.4 四种方案对比分析

根据上述的四种方案，进行主要参数的对比分析，结果见表1。

通过对比表1数据，可以得出以下结论：

(1)MOSFET方案一的电路损耗较小，相比常用的方案四，提高效率91%，灯具驱动电路功率提高了4.37%；相比常用的方案三，提高效率82%，灯具驱动电路功率提高了1.92%。

(2)方案一MOSFET产生的电压降较小，对后续电路影响较小。

(3)方案一的电路MOSFET损耗小，发热少，更有利于灯具设计。

(4)上述是以灯具总功率48 W、电源24 V为例，若灯具总功率不变，电源为12 V或5 V时，产生的有益效果更多。

表1 几种反向保护电路方案主要参数对比分析表(电源24 V，灯具总功率48 W)

4 采用MOSFET管、钳压二极管与限流电阻组成的低压直流防反接保护电路节能效益分析

(1)环保节能效益

为避免景观照明灯具在安装、维护中的接线失误造成灯具不可恢复性损坏，低压灯具基本都在电源进线上设计了正向二极管，电源线反接时不导通，保护了灯具电路。此二极管在灯具工作时，损失电压0.55～1.5 V。如果平均按1.0 V估算，对于24 V、24 W的灯具，工作电流为1 A，此处将消耗1 W电能，同时灯具内后面电路的电压降低1 V，对后续电路工况不利。若采用方案一的电路，试验时电压损失0.05～0.1 V，按上述24 W灯具，消耗最多0.1 W电能，0.1 V的电压降对灯具其他电路几乎没有影响，因此方案一具有节能和提升灯具品质的特点。如果一个项目使用了6万盏24 W的灯，将节省电能54 kW；若每天亮灯5 h，年节省电能达到9.9万度；同时因压降造成尾端灯具不亮的情况也得到了改善。

(2)工程应用布灯效益

一般24 V(6灯珠一串)的恒流灯具工作电压Uin≥21 V，采用方案一后，灯具工作电压≥(21-1+0.1=20.1 V)。以下采用4个案例进行分析。

①350 W开关电源24 V后接2.5 mm2铜芯线3 m，之后每1.4 m一个24 W，共10盏恒功率灯具(内线1 mm2)，功率共240 W，末端电压21.16 V，一般灯具可正常工作。

②350 W开关电源24 V后接2.5 mm2铜芯线3 m，之后每1.4 m一个24 W，共11盏恒功率灯具(内线1 mm2)，功率共264 W，末端电压20.5382 V，采用方案一的灯具可正常工作。

③350 W开关电源24 V后接2.5 mm2铜芯线10 m，之后每1.4 m一个24 W，共8盏恒功率灯具，功率共192 W，末端电压21.45 V，一般灯具可正常工作。

④350 W开关电源24 V后接2.5 mm2铜芯线10 m，之后每1.4 m一个24 W，共10盏恒功率灯具，功率共240 W，末端电压20.194 V，采用方案一的灯具可正常工作。

由上述案例看出，在线路相同的情况，采用方案一至少可以多接入1盏灯具。