LED照明用开关电源技术要求的研究
[摘要]在充分研究国内外“绿色电源”产品的技术法规、标准、方法和技术条件的基础上,结合现代化的电源技术,研究LED用及其他相关开关电源的技术措施,提高我国该类产品的技术含量和可靠性,增强国际竞争力,对推动绿色、环保、节能开关电源的应用领域和高亮度LED运用范围,打开国际市场,有着划时代的战略意义。
[关键词]LED照明用开关电源技术法规标准方法
1概述
LED用开关电源属于电网电源供电的、额定电压不超过600V的单路输出式交流-直流外部电源,而室外用的LED开关电源比室内用的环境更严酷,所以选室外用的LED开关电源作为研究的重点,更具代表性。
目前LED用开关电源没有专门的标准,可参考GB 4943-2001或IEC 60950-1:2005标准来考核产品的安全;而室外用的LED开关电源的安全适用时可参考IEC 60950-22:2005标准来考核产品的附加安全。
由于室外用的LED开关电源的可靠性要求比较高,需要在设计、研制及生产阶段做相应的可靠性试验,应对可靠性试验过程中观测到的每一个失效的原因和后果进行详细的分析,并研究采取有效的矫正措施的可能性。具体的可靠性试验总要求可参考GB 5080.1—1986 设备可靠性实验试验总要求(IEC 60605-1—1978)。
2 LED用开关电源涉及的技术要求
2.1 产品涉及的环境试验
由于室外用LED开关电源使用过程可能面临恶劣的环境,如低温、高温、潮湿、腐蚀、淋雨、长霉等,运输过程可能受到冲击和振动,同时还要考虑储存环境的影响。环境参数对产品的主要影响有:腐蚀、开裂、脆化,潮气的吸附或吸收、氧化等。这些影响可导致材料的物理或化学性质的变化。
所以产品定型和研制过程可能需要经受一系列的环境试验,目前的试验方法有:GB/T 2423.1-2001 、GB/T 2423.2-2001、GB/T 2423.3-1993 、GB/T 2423.4-1993 、GB/T 2423.5-1995、GB/T 2423.10-1995 、GB/T 2423.16-1999 、GB/T 2423.17-2008 、GB/T 2423.38-2005。
单一环境的影响情况见表1。
表1 单一环境的主要影响
环境参数主要影响引起的典型故障
高温热老化(氧化、开裂、化学反应)
软化、融化、升华
粘度降低、蒸发
膨胀绝缘损坏,机械故障,增加机械应力,由于膨胀丧失润滑性能或运动部件磨损增大
低温脆化、结冰、粘度增大和固化、
机械强度的减低、物理性收缩绝缘损坏,开裂,机械故障,由于收缩或机械强度降低和润滑性能的减少,增大了运动的磨损,密封和密封片的失效,损坏
高相对湿度潮气吸收或吸附、膨胀、机械强度减低
化学反应:腐蚀、电蚀、
绝缘体的导电率增加
物理性损坏、绝缘损坏、机械故障
低相对湿度干燥、脆化、机械强度降低、
收缩、动触点间的磨损增大
机械故障、开裂
高气压
压缩、变形
机械故障、泄漏(密封损坏)
低气压膨胀、空气的电气强度降低、电晕和臭氧的形成、冷却速度降低
机械故障、泄漏(密封失效)闪络、过热
太阳辐射化学、物理和光化学的反应
表面恶化、脆化、变色、产生臭氧、加热、不均匀加热和机械应力
绝缘损坏
参见“高温”
砂尘磨损和侵蚀作用、卡住、阻塞、
导热性减低、静电效应
磨损增加,电气故障,过热
腐蚀性大气化学反应:腐蚀、电蚀
表面劣化、导电率增加、接触电阻增大
磨损增大、机械故障,电气故障
而产品的试验顺序要按预期的目的和应用情况来确定,具体见表2。
表2试验顺序的目的和应用
目的
主要应用
a)为了从试验顺序的前几项试验获得有关故障趋势的资料,先从最严酷的试验开始。但要将能导致试验样品无法承受进一步试验的试验项目放在顺序的最后
试制品试验。通常用于研究样机的性能
b)为了在试验样品损坏前取得尽可能多的资料,试验顺序应以最不严酷的试验开始,(如非破坏性试验)研究性试验。通常用于研究样机的性能,适用于有限数量试验样品
c)能给出最严酷影响的试验顺序,某些试验可暴露前一些试验所引起的损坏元件和设备标准化的鉴定试验
d)能模拟实际上最可能出现环境顺序在使用条件已知时,设备和整套系统的鉴定试验
适用于大多数设备的一般试验顺序的例子见表3。
表 3一般试验顺序举例
试验说明
A低温、B高温、N温度剧变产生机械应力,该应力使试验样品对其后的试验更为敏感
E1)冲击、F1)振动产生机械应力,该应力可使试验样品立即损坏或使它对其后的试验更为敏感
M空气压力、Db交变湿热、C2)恒定湿热、
K2)腐蚀会揭示上述热和机械应力试验的影响
L砂尘可加重上述热和机械应力试验的影响
固体物质的浸入、水(例如雨)的侵入宜采用GB/T 2423.37试验L和GB/T 2423.38试验R
1)试验E和试验F的试验次序可互换;2)应尽可能用不同试验样品分别进行恒定湿热和腐蚀试验。
2.2 产品涉及的安全要求
室外LED用开关电源,没有专门的安全试验标准,但从产品失效情况来看,很多是属于结构、温升、爬电距离、电气间隙、材料方面的问题。而 GB 4943-2001、IEC 60950-1:2005对电源有要求;而室外LED开关电源的安全适用时可参考IEC 60950-22:2005标准来考核产品的附加安全。可依据此类标准来设计和定型试验。
2.3 产品涉及的EMC要求
因为室外工程用的LED用开关电源是属于外部电源,可按信息技术类设备电磁兼容测试要求来试验。
2.3.1产品相关的EMC检测标准
国家标准、欧盟标准等同采用国际标准,只有本版上的差异,美国标准与国际标准在测试项目和方法上都有很大区别。
2.3.1.1 国家标准:GB 9254-1998或GB 9254-2008、GB/T 17618-1998、GB 17625.1-2003 、GB 17625.2-2007 。
2.3.1.2 国际标准:CISPR 22:2006、CISPR 24:1997+A1:2001+A2:2002 、IEC 61000-3-2:2005+A1:2008 、IEC 61000-3-3:2008。
2.3.1.3 欧盟标准:EN 55022:2006、EN 55024:1998+A2:2003 、EN 61000-3-2:2006、EN 61000-3-3:1995 。
2.3.1.4 美国标准: FCC PART 15RADIO FREQUENCY DEVICES
2.3.2产品相关的EMC检测项目
2.3.2.1 GB 9254-2008即CISPR 22:2006、EN 55022:2006检测项目有:电源端子骚扰电压、
辐射骚扰场强。
2.3.2.2GB/T 17618即CISPR22、EN 55022检测项目有:静电放电抗扰度、射频辐射场抗扰度、工频磁场抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、射频场感应传导抗扰度、浪涌抗扰度、电压暂降和短时中断抗扰度试验。
2.3.2.3标准G B 17625.1即IEC 61000-3-2、EN 61000-3-2检测项目有谐波电流发射。
2.3.2.4标准G B 17625.2即 IEC 61000-3-3、EN 61000-3-3检测项目有电压闪烁。
2.3.2.5美国标准FCC PART 15主要包含EMI部分项目,有电源端传导骚扰电压和辐射骚扰场强。
2.3.3 LED开关电源的EMC测试
LED开关电源的测试项目有电源端子骚扰电压、辐射骚扰场强、静电放电抗扰度、射频辐射场抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、射频场感应传导抗扰度、浪涌抗扰度、电压暂降和短时中断抗扰度、谐波电流发射和电压闪烁。
2.4 产品涉及的能效要求
2.4.1我国对外部电源的能效要求
把交流电网电压转换为一个固定的、单路低压直流或交流输出电压的额定输出功率不大于250W的外部电源的能效应满足GB 20943-2007的规定,目前CQC将此类单路输出式交流-直流和交流-交流外部电源节能产品列入了节能产品认证实施规则,规则号为CSC/G1206-2005。
2.4.2欧盟公布EuP指令关于外部电源的实施措施草案及其改写指令:《确立能源相关产品生态设计要求的框架》
2008年10月17日,欧盟生态设计法规委员会(Regulatory Committee)在EuP指令(2005/32/EC)第三次会议上公布了外部电源(External Power Supplies,EPS)的实施措施草案;2009年10月31日,欧盟委员会在其官方公报上公布了EuP指令(2005/32/EC)的改写指令:《确立能源相关产品生态设计要求的框架》(2009/125/EC)(简称ErP),并在公布之日起20日生效。新指令正式生效后,将取代现行的EuP指令。新指令最鲜明的变化就是将原EuP指令中的耗能产品扩展为能源相关产品(Energy-related Products,其他内容没有较大的变化。具体限值如下:
第一阶段:实施措施生效后1年
(1) 无负载状态:能源效率 < 0.50W
(2) 平均效率(Average active efficiency)
1.0W以下的产品,平均效率 0.500*Po;
1.0W～51.0 W的产品,平均效率 0.090*ln(Po)+0.5;
51.0 W以上的产品,平均效率 0.850。
第二阶段:实施措施生效后2年(1) 无负载状态下的能源效率应小于表4的限值:
表4 无负载状态下的能源效率限值
标称输出功率Po
(W)AC-AC外部电源
(低压外部电源除外)AC-DC外部电源
(低压外部电源除外)低压外部电源
Po≤51 W0.50 W0.30 W0.3 0W
Po > 51 W0.50 W0.50 W不适用
(2) 平均效率应小于表5的限值:
表5平均效率限值
标称输出功率Po
(W)AC-AC和AC-DC外部电源
(低压外部电源除外)低压外部电源
Po≤1 .0W0.480*Po + 0.1400.497*Po + 0.067
1.0W Po > 51.0 W0.8700.860 2.4.3 LED开关电源的能效试验 LED开关电源应通过GB 20943-2007强制性检验项目。 2.5 产品涉及的有害物质限制要求 产品的ROHS符合性评价满足标准SN/T2002—2006的规定,适用时,还应符合使用国家(地区)有关技术法规对外部电源的环保、能效、性能等的规定。 欧盟在2006年7月1日开始正式实施ROHS指令(电气电子设备中限制使用某些有害物质指令),届时使用或含有镉(Cd),铅(Pb),汞(Hg),六价铬(Cr6+)等四种重金属,以及多溴苯(PBB),多溴二苯醚(PBDE)作为阻燃剂的电子电器产品将不允许进入欧盟市场。根据指令,电子电器设备的均一材质中镉含量应在质量比的0.01%以下,其它物质如铅,汞, 六价铬,多溴联苯和多溴联苯醚含量应在质量比的0.1%以下。 2.6 产品涉及的性能要求 性能满足有关的规范要求,通常应包括输出电压的准确度、电压调整率、负载调整率、输出纹波、功率因素、效率等。 2.7 欧盟出台的其他指令、法规和决议 2.7.1欧盟已出台765/2008/EC和768/2008/EC两项旨在严格CE标志认证规定的法规,以确保产品安全; 2.7.2 REACH 代表化学品注册、评估、授权和限制的法规,欧盟目前公布了15种高关注度物质; 2.7.3欧盟WEEE新修订草案,WEED指令总的要求是企业生产的产品回收率要高; 2.7.4欧盟1348/2008/EC决议、2009/6/EC指令,欧盟作出此项决定的目的是保护人类健康和安全。相关企业需引起注意,通过调整配方、加强对成品及有关原材料检测、开展对合格供货商的评定等措施进行应对。 3意义 本文研究总结了LED用开关电源适用的法律法规和标准要求,为评估和审查新开发产品的设计安全、科学有效地监控产品质量奠定了基础;对积极应对技术贸易壁垒,帮助企业提高质量管理水平、质量控制能力以及破壁应对能力,具有重大的指导意义。同时为今后国家局研究和制定“绿色电源”、“绿色电器”以及其他相关产品的技术措施和监管措施提供了一个很好的第一手参考资料。 参考文献: [1] [美]Sanjaya Maniktala. 王志强等译. 精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社,2008. [2] 姜雪松,王鹰. 电磁兼容与PCB设计[M].北京:机械工业出版社, 2008. [3] 李广宇,李子东,袁素珍,吉利.胶粘与密封新技术[M].北京:国防工业出版社, 2006. [4] 张乃国.电子电源技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.