触摸的安全等级

日期:2012-06-25

  作者:Christopher Richardson,现场应用工程师,TI

  固态照明设计必须协调电源转换器、机电、散热问题,使LED灯泡有效、负担得起,而且,最重要的是安全。

  作为一个孩子,我不得不对电爱恨交加。我的父母告诉我,在我蹒跚学步时我曾经把一个发夹插在电源插座上。“漂亮的火花”吓坏了我的母亲。后来我无意中把我的手指伸进一个没有灯泡插座,得到了一个严重的教训,60 Hz 120VAC的感觉(太糟了)。

  再后来,作为一个在大学动力实验室的实验室助理有了一个残破安全接地的示波器,手柄上有60VAC。我们用它玩“看谁握的时间最长”。这只是另一种习惯电子的方式。

  到目前为止,作为一个在欧洲生活的成人,我已经足够幸运,没有让自己因230VAC触电身亡,但我非常尊重那么高的电压。在大学里,我们被教导,欧洲人加倍了线电压,以减少所需的电流,并提高效率。这在理论上听起来很好,但之前我曾经用离线LED驱动器工作,我看到电动车组的一个同学意外短路了400VDC的电池组母线。电弧把她撞倒昏迷,烧没了她前臂的部分皮肤,这再次提醒人们,高电位电子值得高度重视。

  不久前,我看到了LED灯泡的实验原型,其整个基座是一个铝件。LED是“AC”类型,安排有不同串,在金属芯PCB连接定制IC(图1)。主管工程师在一个标准墙上插座中插入该装置,我不由得紧张起来。没有保险丝,没有隔离变压器,以及10A或15A的电流限制,什么都没有,不过在工程师的手和325V的峰值电压之间有MCPCB薄绝缘层。在家里敏感的差分断路器的经历意味着,我知道电流不会超过30mA,我看不到任何大电容,但尽管如此,在电路通电时我仍拒绝触摸灯泡。

  图1:一个简单但危险的LED灯泡。

  驯服“狂野西部”

  LED照明技术的发展速度远远超过了安全标准(更不用提线路谐波/功率因数和电磁兼容性EMC了)。人们仍然经常听到LED照明被称为“狂野西部”,因为市场上的一些产品没有满足一个或多个适用的标准。这是否是由于公开讨论的误解或疏忽,但在安全的情况下,如UL的8750标准是完整的,而“自镇流LED灯”的IEC的62560正在开发当中,有理由相信,其他线路供电的电子产品类似的安全要求(如IEC60590)是最佳实践。

  大多数LED灯泡调整AC线路,在功率因数校正过程中许多都提升到高达400VDC,所以如果你短路了400VDC,会遇到什么,满足受人尊敬的安全标准的LED灯泡是我的家中唯一的一种LED灯泡。

  筒灯的Class I

  有一件事是明确的,一个灯泡没有接地连接,因此不能成为Class I设备。用在天花板的筒灯的Class I设备很好的候选者,其中暴露的铝散热片可以连接到接地线,而差分断路器可在线路或中性线和接地之间的任何短路的情况下跳闸。非隔离驱动电路非常适合Class I LED灯,因为它们往往是简单的拓扑结构,如降压稳压器,有较少的元件,比隔离电路(如反激式稳压器)电源效率更高。

  机械隔离的Class II

  只需拧入白炽灯泡插座的LED灯泡(或往往令人失望的紧凑型荧光灯)的市场是巨大的,远大于嵌入式筒灯。还有这样一个事实,许多嵌入式筒灯比灯泡外壳更小,因此有理由认为,没有接地的LED灯解决方案代表了LED照明市场的很大一部分。为符合欧盟或美国销售的法律,这些LED灯泡需要安全Class II,甚至Class III。

  构建一个Class II灯的方法是用与Class I灯相同的非隔离LED驱动电路开始。LM3448是一个降压稳压器,可在高达约10W功率水平为一串LED提供恒流。可选的无源功率因数校正模块和用于检测和反应相调光器(如正相可控硅调光器或反相IGBT/MOSFET调光器)的电路(图2)。

  图2:用于Class I或Class II LED灯的非隔离降压型LED驱动器。

  为了安全起见,UL或IEC定义了在AC电源线和人的手指接触到的任何金属部分必须放两层认证的材料。这种方法的主要优点是降压稳压器简单、成本低、电子元件的物理尺寸小,以及电源效率。与所有工程一样,也有主要缺点,即机械和热性质。灯泡中的散热器只能是灯泡的灯体,显然容易触及手和手指。(当我们把灯泡拧在一个插座上时,我们忘记了开启,当最后一拧时灯泡通电了!)

  在世界230VAC的地区,在最坏的情况下链中的第一个LED的阳极近400VDC,虽然我不会主动短路190VDC的北美灯泡的LED。因此,LED和它们的散热器必须由两个绝缘层分开,使热阻显著增加。结果是少光或高温,这两者是极不可取的。

  Class II的电气隔离

  第二种方法是设计一个安全的LED灯泡电隔离输出电路。现在散热器可以连接到LED热电阻传感器(thermal tab)或或有“功能”隔离的LED,取决于LED本身的机械结构。这种方法减轻了机械工程技术人员的负担,在电气工程师圈中只有放弃它。

  例如,LM3447可以作为准谐振反激式稳压器操作。“准谐振”是调整开关频率的技术,以使当主功率MOSFET开启时,其两端的电压总是接近零。这项技术的目标是在通过减少在功率FET和输出二极管开关期间和之后的振铃,降低开关损耗,提高电源效率和改善EMC。

  即使一些压力没有了,机械工程师也不能掉以轻心。也许电隔离Class II LED灯泡的最大挑战是反激式稳压器所需的变压器尺寸。使用符合UL和IEC认证的两个绝缘层,LED和散热器之间还需要空间——它们已转移到了变压器。这些都是占用空间的物理元素。增加的爬电距离和电气间隙要求需要在主电源连接的初级和隔离的次级之间的最小距离,而变压器是迄今为止电路最庞大的部分。适应一个灯泡形空间的狭小局限不是容易的任务。

  从电气角度看降压和反激

  面临的机械挑战不是选择LED灯泡最佳LED驱动器的唯一因素。AC输入电压的振幅也对这个选择有强大的影响力。在北美和日本,线路电流范围从100至1120VACRMS,转换AC电源电压到一个相当低的DC电压的工作容易得多,因为功率转换的一个基本原则是:VIN和VOUT互相越接近,转换将更有效。一些LED厂商已经注意到这一点,并推出了串联了十个或十二个器件的多芯片LED封装,可以在较低的电流工作,以保持约十瓦的总功率。(这个10W的限制纯粹是为了散热,较高功耗的被动散热是相当困难的。)

  低端通用降压稳压器(图3)的占空比是:

  作为任何拓扑结构的开关转换器(如高于90%或低于10%),有效地使用的电源开关变得越来越困难。LM3448的评估板是一个非隔离的低端降压,可以在180mA驱动8至12个串联的LED,平均输出电压范围为36V(从85到135VACRMS)。利用一个典型VD为0.9V,VSW为0.65V和VIN为169V,占空比约为22%。

  图3:普通低侧降压稳压器和占空比。

  使用类似的电路,但是来自230VACRMS会使占空比低得多,在11%左右,从而进入更大部分占空比时间循环二极管携带电流的范围。由于两个开关很近,效率会受到影响。

  问题进一步复杂化了,当输入电压加倍时,功率FET和二极管的开关损耗将增加一倍,除非允许更高的纹波电流或降低开关频率。较高的纹波电流意味着较高的RMS电流,从而增加了损耗,所以开关频率减半更具吸引力,但付出的代价是电感加倍,导致更大的功率电感。

  反激式拓扑的主要优点是使用电感耦合或用户可选择匝数比n(图4)。除了提供电气隔离,使用变压器的主要好处是,通过选择n,设计师可以调整占空比为任何值。

  在实践中,调整匝数比以便占空比在50%通常是最有效的。

  图4:采用占空比的通用反激LED驱动器。

  从机械角度看

  任何反激式稳压器所面临的挑战是变压器的大小。灯泡应用的PCB通常放置在沿灯体的中心轴。这意味着,尺寸是不是唯一的因素——高度往往是更重要的。

  这与降压型形成了鲜明对比,电感相当小,输出电容是迄今为止最大的元件。LM3448降压电路的背面显示了足够的空间与周围的一些元件,如果需要,可串联两个更小的电感。最后,由于LM3448的隔离是机械的,在PCB上没有为满足爬电距离和电气间隙要求的空隙或缺口分开的初级或次级。

  生产的产品要满足所有适用的安全规范、EMC和功率因数,增加了成本。有一个基本的营销理论认为,一旦某一价格设置在消费者心目中,就非常难以改变该产品的感知价值。不像大多数筒灯、路灯或仓库照明,灯泡是非常流行的消费类产品,鉴于其灯丝的前辈通常花费不到一欧元,不难明白为什么许多厂家成为了偷工减料的牺牲品,以最低的成本生产产品。

  我现在有两个LED灯泡,是在市场上每个12欧元购买的。它们使用类似LM3447的隔离反激式电路。我买之前拆开了一个,使我确信它们是安全的。连接LED的金属是由变压器隔离的,它可以通过你的手触及,它涂有非导电搪瓷。

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