室外LED 驅動器的防雷設計探討

原標題：室外LED 驅動器的防雷設計探討

針對室外LED 照明燈具，分析了雷擊浪涌電壓在LED 驅動器中的耦合路徑及其損壞模式，並提出了相應的防護措施，相關保護電路大大提高了LED 驅動器的防雷擊浪涌性能，提升了室外LED 照明驅動器的品質及可靠性。

孟召民 ( 上海交通大學)

近幾年，LED路燈應用越來越廣泛，室外應用的LED驅動器，對產品的可靠性有較高要求，特別是要求具有較高的防雷擊浪涌等級。電網中的浪涌電壓主要有以下類型: ①直擊雷，是指帶電雷雲與被放電物之間直接發生的雷擊放電，直擊雷蘊含極大的能量，峰值電壓可高達5 000 kV，具有極大的破壞力; ②傳導雷，指雷電擊中電網線路或因電磁感應而產生的瞬態高電壓，由電網線路或者其他通信線路傳至LED路燈; ③開關過電壓，電網中的感性負載和容性負載在切入或斷開瞬間，一般都會在線路上產生瞬態的脈衝高電壓或脈衝高電流，瞬時峰值可達電網額定電壓的幾倍，會嚴重破壞路燈設備，損壞類型與雷擊相似。LED驅動器的防浪涌設計主要是針對傳導雷及開關過電壓的防護。本文介紹了典型的LED路燈防雷電路設計方案。

1浪涌抗擾度測試要求

IEC和ANSI對防雷擊浪涌測試設備、測試條件和測試方法，制定了相應的規範。IEC 61000-4-5是專門針對浪涌抗擾度測試設備及測試方法的安全規範，浪涌抗擾度測試的浪涌電壓波形為1． 2 /50μs-8 /20μs的組合波脈衝，詳見圖1。對戶外應用的LED驅動電源，浪涌抗擾度測試的電壓等級要求至少差模6 kV、共模6 kV，甚至更高。ANSI C82． 77中明確規定了戶外燈具的最低浪涌防護等級，組合波差模共模6 kV/3 kA，2 Ω 內阻。

圖1 浪涌抗擾度測試的浪涌電壓波形

( a) 組合波開路電壓( 1． 2 /50μs) 波形;

( b) 組合波短路電流( 8 /20μs) 波形

Fig． 1 Surge voltage waveforms used for surge immunity test

( a) Open circuit voltage waveform of combination wave ( 1．2/50μs) ;

( b) Short circuit current waveform of combination wave ( 8/20μs)

2LED 路燈系統的防雷設計方案

圖2為典型的LED路燈系統的防雷方案。該方案由兩級保護組成:外置的SPD浪涌保護器和內置於LED驅動器的浪涌保護電路。SPD浪涌保護器作為第一級尤為重要，把10 kV～ 30 kV的電網浪涌電壓鉗位到4～ 8 kV。內置於LED驅動器中的第二級保護電路，將4～ 8 kV的浪涌電壓進一步鉗位至幾百V以內，以保護LED驅動器中的其他電路。

圖2 LED 路燈的防雷典型設計

Fig． 2 Typical surge protection design of LED street luminaire

浪涌的防護一般按照耦合方式可分為兩類: 差模浪涌和共模浪涌。差模浪涌，是指耦合在火線L 和零線N 之間的浪涌電壓; 共模浪涌，是指耦合在火線L 和地線PE，或者零線N 和地線PE，或者零火線和地線之間的浪涌電壓。一般來講，差模浪涌對產品的破壞性更大，防護電路設計也較為複雜。

2． 1 差模防雷擊浪涌設計

差模浪涌耦合到LED 驅動器中，在驅動器電路的功率迴路中會產生瞬時的高壓，這些高壓一旦超過了電路相關元器件的額定值，在相應位置或元器件上會發生放電擊穿，元器件可能永久損壞。如圖3 所示，差模電壓一般會在L 與N 之間，以及VBUS與功率地之間產生高壓。常見的差模浪涌失效模式主要有: 保險絲熔斷、壓敏電阻損壞、功率半導體器件擊穿、電解電容漏液。針對以上失效模式，元器件的選型顯得尤為重要。比如，保險絲，除了考慮額定電流和開機啟動的浪涌電流外，還要考慮雷擊時的浪涌電流。壓敏電阻，考慮能承受足夠次數的雷擊浪涌電流，而不能只根據最大鉗位電流來選擇。另外，電路板上要保證足夠的爬電距離，爬電距離的設定除了考慮正常工作狀態下的電壓外，還要考慮雷擊浪涌測試產生的尖峰電壓。此外，差模浪涌保護電路設計也非常重要。

圖3 LED 路燈的差模防雷設計

Fig． 3 Differential mode surge protection design of LED street luminaire

LED 驅動器中差模防雷擊浪涌的設計一般從以下幾方面考慮: 拓撲結構，浪涌電壓鉗位，特定保護電路等。

2． 1． 1 拓撲結構

室外LED 驅動器一般採用兩級或兩級以上的拓撲，除了考慮功率等級外，雷擊浪涌保護也是其中重要的原因之一。Boost 電路因輸出濾波電容多採用電解電容，對瞬態的浪涌電壓有一定的緩衝作用，所以，相較於其他拓撲結構的電路，Boost 拓撲更適合作為戶外LED驅動器電源的第一級拓撲。如圖3 所示，CBUS容值根據輸出功率的大小，一般為10 ～ 100 μF 之間，浪涌時，對Q1，Q2，Q3的電壓起到一定的鉗位作用。

2． 1． 2浪涌電壓鉗位電路

差模浪涌的防護，一般採用兩級或兩級以上的電路。第一級電路的設計以器件不損壞為主要目標。如圖3，VR1一般選用直徑14 mm、交流額定電壓320VAC的壓敏電阻。在6 kV浪涌電壓下，流經VR1的電流大約在2 kA左右。由壓敏電阻技術手冊中可得知，該VDR的鉗位電壓大約為1． 2 kV，耐受超過40次浪涌脈衝。第二級電路設計，以儘可能降低鉗位電壓為目的。流經壓敏電阻的電流越小，其鉗位電壓越低。可以通過增加第一級鉗位電路和第二級之間的插入阻抗來實現。如圖4 ( a) 所示，VR4 額定電壓為320VAC，兩級鉗位電路之間有EMI 濾波器，在選擇濾波器時，在滿足整機效率的前提下，優先選擇一些DC 阻抗比較大的電感。當流經VR4 的電流為20 A 時，鉗位電壓約在700 V，對於常用的600V 或者650 V 的MOSFET，還是偏高。圖4 ( b) 為一種改進型的鉗位電路，該電路增加了一個開關器件SW，該器件可以為可控硅，或者是MOSFET 等，由浪涌檢測電路控制。當檢測到浪涌電壓時，SW 導通，壓敏電阻VR4 接入電路; 當沒有浪涌電壓時，SW 斷開，VR4 不接入電路。這樣VR4 就可以選用較低額定電壓的型號，以達到降低浪涌鉗位電壓的目的。

圖4 差模浪涌防護電路( a) 改進前; ( b) 改進後

Fig． 4 Differential mode surge protection circuit

2． 1． 3特定保護電路

如某一特定器件浪涌測試時應力較高，可以設計針對該器件的特定保護電路。如圖3中，如Q1電壓超出額定值(一般開關管在關斷的瞬間，因電路寄生電感的存在，會產生一定的電壓過沖，該電壓過沖的幅值根據寄生電感和開關電流的大小，一般在幾十V左右)，可以設計電路檢測到浪涌電壓時，徹底關斷Q1，以起到一定的防護作用。

2． 2共模防雷擊浪涌設計

共模浪涌設計主要保護LED驅動器的負載LED模組。LED路燈中的LED模組一般採用中功率或大功率LED顆粒，散熱設計一般採用MCPCB或增加散熱器，散熱器接到燈具的保護地上。相當於LED負載和散熱器之間存在寄生電容，如圖5中的CP2，CP3，根據LED模組PCB中鋪銅的面積大小，該寄生電容一般在幾十pF～幾nF之間，如變壓器T1兩端有跨接電容CP1，則感應在LED顆粒和散熱器之間的電壓為CP1和CP2 /CP3的共模分壓。所以CP1要盡量小，這樣更多的共模電壓在輸出隔離變壓器T1上，達到保護LED模組的目的。

圖5 LED 路燈的共模防雷設計

Fig． 5 Common mode surge protection circuit

共模浪涌防護的關鍵在於設計具有較高絕緣等級的隔離變壓器，PCB板上，原副邊之間保證足夠的爬電距離。另外，也可在輸入側增加壓敏電阻VR2，VR3作為共模鉗位，也可用氣體放電管代替壓敏電阻，或者採用氣體放電管串聯壓敏電阻的方案。

3測試及結果

差模浪涌保護電路，第一級保護電路採用直徑14 mm，額定電壓320VAC的壓敏電阻。第二級保護電路採用直徑10 mm，額定240 VAC的壓敏電阻和雙向晶閘管串聯。

共模浪涌保護，未加專用的保護電路，電路板設計保證6 mm原副邊爬電距離，所有電路對保護地也保持6 mm爬電距離，隔離變壓器原副邊之間保證6mm的爬電距離。

雷擊浪涌測試採用6 kV/3 kA差模共模，內阻2Ω，4種耦合方式( L-N，L-PE，N-PE，L /N-PE)，40次浪涌脈衝，採用該方案的LED驅動器順利通過雷擊浪涌測試。

圖6浪涌保護電路工作波形圖

Fig． 6 Measured waveform of surge protection circuit

圖6為6 kV差模浪涌測試的工作波形。通道1為第一級保護電路的電壓，通道2為第二級保護電路的電壓，通道3為半橋中點的電壓波形。經第一級鉗位電壓降至1 045 V，經第二級鉗位後，浪涌電壓進一步降低至620 V，採用600 V額定電壓的MOSFET已經能夠滿足要求，如若進一步降低浪涌時MOSFET兩端的電壓，可以進一步優化第二級浪涌鉗位電路。

4結論

本文介紹了雷擊浪涌對LED驅動器的危害，分析了雷擊浪涌的主要耦合途徑，並提出了差模共模雷擊浪涌的保護方案，採用相應方案的LED驅動器順利通過了相關雷擊浪涌測試。對LED燈具的防雷設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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［3］王瑩，金旺． LED路燈雷擊浪涌技術及相關標準［J］．電子產品世界，2017，24( 5)。

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