直连电网型LED灯管的防电击方法

熊爱明

(1.上海睦涵信息科技有限公司，上海 200122;2.嘉兴山蒲照明电器有限公司，浙江 嘉兴 314001)

引言

T8灯管的G13灯座有非常悠久的历史，几乎等同于工商业线性照明的代名词，在北美市场的灯头数不少于40亿个。LED技术的飞速发展，近几年来光效已能达到传统荧光灯2倍以上，而DLC(Design Lights Consortium)机构也在大力牵引LED光效往前发展，给节能带来巨大的潜力。

由于传统荧光灯保有量巨大，LED产品的替换存在着巨大的机会。按UL1993对LED替换光源的定义，存在着Type A、Type B 和Type C三种类型。Type A指的是直接替换型LED光源，无需改线，无需移除电子镇流器；Type B指的是特殊用途的光源，这种光源用在灯具里，这种灯具要么在工厂为这种光源已经接好了线，要么作为翻新光源需要对原先的灯具进行改装接线，LED的驱动元件是这种光源器件的组成部分；Type C指的是特殊用途的光源，这种光源用在灯具里，这种灯具要么在工厂为这种光源已经接好了线，要么作为翻新光源需要对原先的灯具进行改装接线，LED的驱动在这种光源外部(或不是它组成部分)。

三个类别的光源产品，有着显著的优缺点：Type A产品使用方便，但存在兼容型差和系统寿命短板的问题；Type B产品系统理想，但改线成本高，尤其换G13灯座人工成本非常昂贵；Type C性能优秀，但系统成本，改装成本和维护成本都偏高。相比较而言，Type B灯管相比较而言，性能刚好够用，如果解决了Type B安装成本高的问题，将会成为主流产品。

1 Type B产品的实现方式和各自的问题

Type B TLED产品有两类实现方式，一火线和零线从同侧插脚接入；二火线从两侧插脚接入。这两种方式都有一些弊端。第一种方式有两个问题，第一个问题是首次替换时需要更换灯座，由于历史技术原因，北美市场荧光灯大都使用瞬时启动型镇流器，这种镇流器只需要配合短路灯座即可。所以要从同侧两个插脚接入火线零线时，需把灯座替换成非短接灯座，由于北美人工成本高，据市场调查，替换一个灯座成本达到7美元。第二个问题是后期更换时，如果灯管使用单端供电方式，更换时需要辨识灯管方向，使用便捷性下降。第二种方式使用相当方便，无需更换灯座，仅需简单改线。但是在安装灯管过程中，单端插入火线灯座时，另一侧插脚被安装者碰到，则可能通过人体对大地构成回路，引起致命电击，如图1所示。国内也有相关分析文献[1]。某品牌商甚至断言，因安全问题他们不打算给市场提供Type B的灯管产品[2]。

图1 安装电击示意图Fig.1 Electric shock of during installation

由于需求的存在，市场里出现了小量尝试性的产品，一类在灯的两头各装有微动开关，当灯管插入灯座后，微动开关被压下。还有一类索性不做任何防护，甚至都没有UL的安规认证。在中国市场上至今也存在大量这类不安全的产品。由于两头灯座间距离并不是理想的尺寸，距离偏大时，用微动开关方案反而产生大量投诉，主要集中在微动开关未闭合，导致灯点不亮。UL公司也出台了相应认证标准，来确保产品的安全，最终并没有形成大量的实际销售。

2 电子式防触电解决方案

电击之所以对人致命，主要是通过心脏的电流超过一定值以后，引起心室纤维性颤动[3]，测试电路如图2所示[4]。

图2 电击风险测试图Fig.2 Risk of electric shock measurements

UL对测试泄漏电流有一个测试网络，用这个网络代表人体极限参数。如图3所示，在V3位置测量值小于5MIU(Measurement Indication Unit，MIU是表征泄漏电流的单位，在60 Hz,1 MIU等于1 mA)，则符合安全测试。

图3 泄漏电流测试输入网络Fig.3 Leakage current measurement circuit

网络中0.22 μF电容在瞬态时可以视作短路，则设计中如果能区分网络中是否存在500 Ω电阻即可。设想如果能有一个极短时间的电脉冲，由于时间足够短，能量太小以至于不足以对人体产生伤害，在这个足够短的时间内完成对安装状态的探测，则能够保证安装者在误碰到带电插脚时得到足够的保护。

一般在驱动电源的整流桥后都会安装一个滤波电容，在上电初期忽略其他器件，电流路径的等效电路如图4所示，在滤波电容和整流桥之间串接一个开关，那开关瞬间的动作时，流过开关电流峰值计算如下：

图4 安装正常(左)和人体接入电路(右)等效电路Fig.4 Leakage current measurement circuit

安装正常时电流峰值计算公式

(1)

取Vinpk=50 V,Rfuse=10 Ω,初始状态时Vcap=0

人体串入时，最大峰值电流计算公式

(2)

Vin取305 V时，Rfuse=10 Ω，初始状态时Vcap=0

Ipk=0.8A

(3)

可见，两者有显著差别，可以用来做安装状态判别。

3 应用中的启动风险和验证

实际使用风险来源，是电网供电的不理想，从供电变压器到灯管端物理距离过远，导致馈电线路的分布电抗过大，检测脉冲发出时，无法获得相应的电流峰值，导致误判为人体接入，灯管无法点亮。设脉冲动作电压为V，忽略启动回路电阻的影响，动作时间为t，令t<<8.3 ms，则可以认为检测开关动作时电网输入电压保持不变则

(4)

如需要满足检测脉冲能够可靠检出，设检测阈值为2 A，动作电压100 V，检测时间20 μs，则要求回路电感量

L≤V×dt/di=1 mH

(5)

即,如果动作电压设定100 V，动作时间设为20 μs，检测阈值设为2 A，从供电端到灯管的等效电感量≥1 mH时，会有无法检出良好安装的可能性导致灯管无法启动。

圆形直导线计算公式

(6)

其中μ0为相当磁导率，l电线长度，r电线直径。

把常用的美规11号线代入式(6)，1 km的导线，相当于2.7 mH电感量。查找国标配电网规划设计技术导则[6]，对于经济供电半径，A,A+ 类不宜超过150 m，B类不宜超过250 m，C类不宜超过400 m，D类不宜超过500 m，虽然美国和中国国情有差异，在缺失美国相关供电规范情况下，以中国设计规范为参照，应该也相去不远。

设计时，选择检测阈值1.5 A，检测时间50 μs，动作电压设定100 V，

L=3.3 mH

(7)

基本能确保在1 km的供电半径内不会有启动风险，考虑电网各点有容性负载的存在，更会大大改善启动性能。

4 集成电路的框架和实现

由于是一种新式的保护方式，市面上并没有相关的IC可供使用，需要定制IC实现相关的控制模式。IC原理框图如图5所示。

图5 触电防护IC设计原理框图Fig.5 Diagram of shock protection IC

脉冲形成电路产生定宽的脉冲串，通过或门对驱动电子开关进行检测。电流检测电路对流过电子开关的电流进行检测，达到设定阈值锁存电路对状态进行锁存，保持电子开关闭合状态。当人体模型接入电路，电流检测电路无法达到设定阈值，则脉冲持续发出，直到电流达到设定阈值才保持电路长通。

5 TLED产品开发

图6为一个带有防触电保护功能的驱动电路原理图，红框中是防触电功能电路，U51是我们定制开发的IC，内含电子开关。U51串接在整流桥后的母线上，当U51得电后开始释放测试脉冲，通过F1，整流桥BD1，滤波电容C1和U51构成闭合回路。当U51内置电子开关闭合时，输入电压对C1充电，充电脉冲电流正常时如式(1)所示，人体模型接入如式(2)所示。当电流达到阈值后，U51常闭，后端Buck电路正常启动，驱动LED，点亮灯管。

图6 带有防触电保护功能的驱动电路原理图Fig.6 Schematic of drive circuit with protection against electric shock

当人体模式接入后，脉冲达不到阈值，会持续给C1进行脉冲式充电，当C1累积电压达到Buck启动电压后，Buck会启动把C1电压拉低，重新开始充电，直到灯管可靠连接。否则会一直处于测试模式。

图7为120 V和277 V下测试流过U51的电流波形，达到阈值。表1为测试模式下测试数据，在整个宣称工作电压范围内，漏电流均小于UL规定的5 MIU(Measurement Indication Unit，MIU是表征泄漏电流的单位，在60 Hz,1 MIU等于1 mA)。

图7 测试电流波形Fig.7 Waveform of the testing current

表1 测试模式下测试数据Table 1 Measured data under test mode

由检测原理可知，检测回路之前不能有差模电感，也不能接太大的共模电容，而产品还必须满足美国FCC指定的相关EMC的要求，而电网的一直输入线从另一头经过1.2 m的距离回到驱动电源上，给产品EMC的设计带来巨大的挑战。PCB布局上需尽可能减少输入线和输出线之间的耦合。除此以外，Buck主开关和续流二极管的开关速度也要很仔细的调试，寻找适当的吸收参数。

图9为实际的驱动电源图片，框中为触电防护模组。

图9 双端TLED的驱动电源Fig.9 PCBA of the TLED double ended driver

6 总结与展望

使用脉冲进行检测的方式进行防触电保护，是一项技术创新，已经获得多个专利[7]与专利组合的授权，并实现了产品化。

本文中所采用的方法为串联方式进行检测，实际上基于脉冲测试的原理，也可以采用并联方式进行检测。此种方式有检测电流小、成本更低的好处，缺点在于对并联灯管支数有限制，需要进行更加精巧的设计以规避多灯启动不了的风险。