室外LED驱动器的防雷设计探讨

原标题：室外LED 驱动器的防雷设计探讨

针对室外LED 照明灯具，分析了雷击浪涌电压在LED 驱动器中的耦合路径及其损坏模式，并提出了相应的防护措施，相关保护电路大大提高了LED 驱动器的防雷击浪涌性能，提升了室外LED 照明驱动器的品质及可靠性。

孟召民 ( 上海交通大学)

近几年，LED路灯应用越来越广泛，室外应用的LED驱动器，对产品的可靠性有较高要求，特别是要求具有较高的防雷击浪涌等级。电网中的浪涌电压主要有以下类型: ①直击雷，是指带电雷云与被放电物之间直接发生的雷击放电，直击雷蕴含极大的能量，峰值电压可高达5 000 kV，具有极大的破坏力; ②传导雷，指雷电击中电网线路或因电磁感应而产生的瞬态高电压，由电网线路或者其他通信线路传至LED路灯; ③开关过电压，电网中的感性负载和容性负载在切入或断开瞬间，一般都会在线路上产生瞬态的脉冲高电压或脉冲高电流，瞬时峰值可达电网额定电压的几倍，会严重破坏路灯设备，损坏类型与雷击相似。LED驱动器的防浪涌设计主要是针对传导雷及开关过电压的防护。本文介绍了典型的LED路灯防雷电路设计方案。

1浪涌抗扰度测试要求

IEC和ANSI对防雷击浪涌测试设备、测试条件和测试方法，制定了相应的规范。IEC 61000-4-5是专门针对浪涌抗扰度测试设备及测试方法的安全规范，浪涌抗扰度测试的浪涌电压波形为1． 2 /50μs-8 /20μs的组合波脉冲，详见图1。对户外应用的LED驱动电源，浪涌抗扰度测试的电压等级要求至少差模6 kV、共模6 kV，甚至更高。ANSI C82． 77中明确规定了户外灯具的最低浪涌防护等级，组合波差模共模6 kV/3 kA，2 Ω 内阻。

图1 浪涌抗扰度测试的浪涌电压波形

( a) 组合波开路电压( 1． 2 /50μs) 波形;

( b) 组合波短路电流( 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 路灯系统的防雷设计方案

图2为典型的LED路灯系统的防雷方案。该方案由两级保护组成:外置的SPD浪涌保护器和内置于LED驱动器的浪涌保护电路。SPD浪涌保护器作为第一级尤为重要，把10 kV～ 30 kV的电网浪涌电压钳位到4～ 8 kV。内置于LED驱动器中的第二级保护电路，将4～ 8 kV的浪涌电压进一步钳位至几百V以内，以保护LED驱动器中的其他电路。

图2 LED 路灯的防雷典型设计

Fig． 2 Typical surge protection design of LED street luminaire

浪涌的防护一般按照耦合方式可分为两类: 差模浪涌和共模浪涌。差模浪涌，是指耦合在火线L 和零线N 之间的浪涌电压; 共模浪涌，是指耦合在火线L 和地线PE，或者零线N 和地线PE，或者零火线和地线之间的浪涌电压。一般来讲，差模浪涌对产品的破坏性更大，防护电路设计也较为复杂。

2． 1 差模防雷击浪涌设计

差模浪涌耦合到LED 驱动器中，在驱动器电路的功率回路中会产生瞬时的高压，这些高压一旦超过了电路相关元器件的额定值，在相应位置或元器件上会发生放电击穿，元器件可能永久损坏。如图3 所示，差模电压一般会在L 与N 之间，以及VBUS与功率地之间产生高压。常见的差模浪涌失效模式主要有: 保险丝熔断、压敏电阻损坏、功率半导体器件击穿、电解电容漏液。针对以上失效模式，元器件的选型显得尤为重要。比如，保险丝，除了考虑额定电流和开机启动的浪涌电流外，还要考虑雷击时的浪涌电流。压敏电阻，考虑能承受足够次数的雷击浪涌电流，而不能只根据最大钳位电流来选择。另外，电路板上要保证足够的爬电距离，爬电距离的设定除了考虑正常工作状态下的电压外，还要考虑雷击浪涌测试产生的尖峰电压。此外，差模浪涌保护电路设计也非常重要。

图3 LED 路灯的差模防雷设计

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

LED 驱动器中差模防雷击浪涌的设计一般从以下几方面考虑: 拓扑结构，浪涌电压钳位，特定保护电路等。

2． 1． 1 拓扑结构

室外LED 驱动器一般采用两级或两级以上的拓扑，除了考虑功率等级外，雷击浪涌保护也是其中重要的原因之一。Boost 电路因输出滤波电容多采用电解电容，对瞬态的浪涌电压有一定的缓冲作用，所以，相较于其他拓扑结构的电路，Boost 拓扑更适合作为户外LED驱动器电源的第一级拓扑。如图3 所示，CBUS容值根据输出功率的大小，一般为10 ～ 100 μF 之间，浪涌时，对Q1，Q2，Q3的电压起到一定的钳位作用。

2． 1． 2浪涌电压钳位电路

差模浪涌的防护，一般采用两级或两级以上的电路。第一级电路的设计以器件不损坏为主要目标。如图3，VR1一般选用直径14 mm、交流额定电压320VAC的压敏电阻。在6 kV浪涌电压下，流经VR1的电流大约在2 kA左右。由压敏电阻技术手册中可得知，该VDR的钳位电压大约为1． 2 kV，耐受超过40次浪涌脉冲。第二级电路设计，以尽可能降低钳位电压为目的。流经压敏电阻的电流越小，其钳位电压越低。可以通过增加第一级钳位电路和第二级之间的插入阻抗来实现。如图4 ( a) 所示，VR4 额定电压为320VAC，两级钳位电路之间有EMI 滤波器，在选择滤波器时，在满足整机效率的前提下，优先选择一些DC 阻抗比较大的电感。当流经VR4 的电流为20 A 时，钳位电压约在700 V，对于常用的600V 或者650 V 的MOSFET，还是偏高。图4 ( b) 为一种改进型的钳位电路，该电路增加了一个开关器件SW，该器件可以为可控硅，或者是MOSFET 等，由浪涌检测电路控制。当检测到浪涌电压时，SW 导通，压敏电阻VR4 接入电路; 当没有浪涌电压时，SW 断开，VR4 不接入电路。这样VR4 就可以选用较低额定电压的型号，以达到降低浪涌钳位电压的目的。

图4 差模浪涌防护电路( a) 改进前; ( b) 改进后

Fig． 4 Differential mode surge protection circuit

2． 1． 3特定保护电路

如某一特定器件浪涌测试时应力较高，可以设计针对该器件的特定保护电路。如图3中，如Q1电压超出额定值(一般开关管在关断的瞬间，因电路寄生电感的存在，会产生一定的电压过冲，该电压过冲的幅值根据寄生电感和开关电流的大小，一般在几十V左右)，可以设计电路检测到浪涌电压时，彻底关断Q1，以起到一定的防护作用。

2． 2共模防雷击浪涌设计

共模浪涌设计主要保护LED驱动器的负载LED模组。LED路灯中的LED模组一般采用中功率或大功率LED颗粒，散热设计一般采用MCPCB或增加散热器，散热器接到灯具的保护地上。相当于LED负载和散热器之间存在寄生电容，如图5中的CP2，CP3，根据LED模组PCB中铺铜的面积大小，该寄生电容一般在几十pF～几nF之间，如变压器T1两端有跨接电容CP1，则感应在LED颗粒和散热器之间的电压为CP1和CP2 /CP3的共模分压。所以CP1要尽量小，这样更多的共模电压在输出隔离变压器T1上，达到保护LED模组的目的。

图5 LED 路灯的共模防雷设计

Fig． 5 Common mode surge protection circuit

共模浪涌防护的关键在于设计具有较高绝缘等级的隔离变压器，PCB板上，原副边之间保证足够的爬电距离。另外，也可在输入侧增加压敏电阻VR2，VR3作为共模钳位，也可用气体放电管代替压敏电阻，或者采用气体放电管串联压敏电阻的方案。

3测试及结果

差模浪涌保护电路，第一级保护电路采用直径14 mm，额定电压320VAC的压敏电阻。第二级保护电路采用直径10 mm，额定240 VAC的压敏电阻和双向晶闸管串联。

共模浪涌保护，未加专用的保护电路，电路板设计保证6 mm原副边爬电距离，所有电路对保护地也保持6 mm爬电距离，隔离变压器原副边之间保证6mm的爬电距离。

雷击浪涌测试采用6 kV/3 kA差模共模，内阻2Ω，4种耦合方式( L-N，L-PE，N-PE，L /N-PE)，40次浪涌脉冲，采用该方案的LED驱动器顺利通过雷击浪涌测试。

图6浪涌保护电路工作波形图

Fig． 6 Measured waveform of surge protection circuit

图6为6 kV差模浪涌测试的工作波形。通道1为第一级保护电路的电压，通道2为第二级保护电路的电压，通道3为半桥中点的电压波形。经第一级钳位电压降至1 045 V，经第二级钳位后，浪涌电压进一步降低至620 V，采用600 V额定电压的MOSFET已经能够满足要求，如若进一步降低浪涌时MOSFET两端的电压，可以进一步优化第二级浪涌钳位电路。

4结论

本文介绍了雷击浪涌对LED驱动器的危害，分析了雷击浪涌的主要耦合途径，并提出了差模共模雷击浪涌的保护方案，采用相应方案的LED驱动器顺利通过了相关雷击浪涌测试。对LED灯具的防雷设计具有一定的借鉴意义。

参考文献

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