LED户外照明系统方案

遗忘的回忆

　　交流电源线路中的瞬态浪涌事件，极易造成户外LED照明设备损坏。在LED电源供应器前端安装浪涌保护组件，是既实惠又有效的解决方法，可在微秒时间内抑制过压瞬变，避免过热情形发生，从而提高LED照明设备的可靠性并延长使用寿命。
　　全球大约有25%的能源消耗是由照明应用产生，因此，让照明更加节能对整体能源利用会带来重大影响，也为其他应用节省更多可用能源。立法劝阻人们使用白炽灯的立法，已经成为LED照明设备需求增长的一个重要因素。与此同时，消费者和工业用户对节能照明方案的兴趣都日益高涨，进一步刺激了市场对LED照明的需求。
　　LED效率(每瓦更高流明)、二次光学组件(更好的透镜/反射镜)，以及散热的技术创新，使得LED照明逐渐取代了传统的光源，如户外应用的水银灯、金属卤素灯及钠灯。然而，户外LED照明安装起来会非常昂贵，投资的回报必须建立在更低的瓦数需求、更低的维护成本和更长的使用寿命。为了防止户外LED在5年左右的投资回报期内出现故障，高耐用性和可靠性至关重要。交流电源线路中的瞬态浪涌事件，对户外LED照明灯具构成严重的威胁。
　　抑制浪涌事件 延长照明寿命
　　每当电气设备打开或关闭时，过压瞬变浪涌会影响到附近的交流电源线路。同样，雷击也会在交流电源线路中造成瞬变浪涌(图1)，尤其是在室外环境中。间接雷击能量会对户外LED照明装置产生不利影响。瞬态电压保护是消除受电气环境影响的现场故障的关键。无论是差模还是共模，灯具都极易受到损坏。

　　图1 间接雷击对交流电源线路的影响
　　差模
　　灯具的L-N或L-L接线端子之间的高电压/电流瞬变，会对电源模块或LED模块板中的组件造成损坏。
　　共模
　　灯具的L-G(地)或N-G(地)接线端子之间的高电压/电流瞬变，会破坏电源模块或LED模块板中的安全绝缘，包括LED到散热器的绝缘。
　为满足过压瞬变相关的重要法规和安全标准，LED照明设备制造商依赖于精心挑选的保险丝、金属氧化物压敏电阻(MOV)，以及瞬态电压抑制(TVS)二极管。美国正带头为一些室内商业照明，以及室外道路、停车场和车库照明，建立统一的性能和安全标准。
　　除了美国拥有一套自己的标准，IEC 61000-4-5的过压瞬变浪涌测试，是针对LED照明组件的全球性要求。此外，“一般照明用设备”IEC 61547中，还要求进行电磁兼容(EMC)抗扰度测试。图2显示了测试电压和电流上升时间和持续时间的两个波形定义。测试波形是一个1.2x50μs开路电压波形和一个8x20μs短路电流波形的组合。为了进行该测试，在连接到灯具之前，通过将输出对地短路而在浪涌发生器上，对指定的峰值电流进行校准。


　　图2 IEC 61000-4-5浪涌抗扰度测试波形：1.2×50μs开路电压和8×20μs短路电流。
　　为了防止因浪涌能量造成的损坏，提高户外照明装置的可靠性、减少维护并延长使用寿命，强大的浪涌抑制电路必不可少。图3所示的是通常纳入到路灯浪涌保护电路中的各种组件。


　　图3 LED路灯保护方案
　　MOV有助SPD抑制瞬变
　　在电源供应器和诸如通常被置于LED驱动器前端的浪涌保护组件(Surge Protection Device，SPD)模块的其他应用中，金属氧化物压敏电阻技术是抑制瞬变的一种既实惠又极其有效的方法。MOV的设计目的，是在微秒时间内钳制过压瞬变。然而，内置于SPD模块之中，MOV便会受到因中性点丢失或错误的安装接线，引起的暂时过电压条件的影响。这些条件会对MOV造成严重压力，导致其经历热失控，从而造成冒烟、过热和可能的火灾。北美关于SPD的安全标准(包括UL1449)，定义了确保SPD安全的典型测试条件。过热断开保护是可靠的SPD设计的特点，目的在于保护MOV免受热失控。
　　暴露于一次大浪涌或多次小浪涌之后，MOV的性能往往会逐步下降，从而导致MOV漏电流增加。即使在正常条件下(如120VAC/240VAC工作电压)，这种退化也会增加MOV的温度。至于MOV旁边的一个过热断开装置，可以被用来感测MOV，因其性能持续退化导致的温度增加。当MOV使用寿命结束时，过热断开装置将打开电路，将退化的MOV从电路中移除，并防止灾难性的故障发生。
SPD加入寿命终止/更换指示机制
　　一旦MOV从电路中断开连接，SPD不再提供浪涌抑制保护。为了防止之后的浪涌对灯具造成损坏，电路设计者应采取一种能够提醒维修人员SPD须要更换的方法。照明设计人员有两种主要的SPD模块配置类型可供选择，这取决于他们的维护和保修策略：并联和串联浪涌保护组件。
　　并联
　　SPD模块与负载并联(图4)。这里达到使用寿命终止条件的SPD模块，被从电源上断开，而AC/DC电源供应器保持通电。照明装置仍然运行，但电源供应器和LED模块，面对下一次浪涌不再得到保护。如今，SPD模块上带有充当更换指示灯的小LED，如绿色的LED指示SPD模块在线，红色的LED指示SPD模块掉线。


　　图4 并联SPD模块
　　还可以通过使用一个照明管理中心，对SPD模块是否须要更换进行远程提示。在这个管理中心中，SPD模块使用寿命终止指示线，连接至网络化的智能照明系统，而毋须在每个灯具上都安装指示灯。
　　串联
　　在这种配置中，SPD模块与负载串联(图5)。SPD模块在使用寿命终止时，被从电源上断开，从而将灯熄灭，指示着须要拨打维修电话。断开的SPD模块不仅将灯熄灭，而且将AC/DC电源供应器，从随后的浪涌冲击中隔离开来。这种配置越来越受到欢迎，是因为其在SPD模块等待更换期间，保护了照明装置投资。与并联的SPD模块配置中，更换整个照明装置相比，更换一个串联的SPD模块也更为经济。


　　图5 串联SPD模块
　　在LED电源模块前端安装SPD模块，为照明系统提供了有效的保护。在这些SPD模块中，安装过热断开装置，改善了它们的整体安全性，并使它们成功通过UL1449认证。为了让LED灯具的初始投资得以回报，设计人员必须在设计中纳入SPD模块更换指示的机制。