低成本高性能的RED2102大功率节能灯

　　虽然今年LED照明灯的发展异常迅猛，但由于LED方案的成本、技术等原因，目前还不能完全替代节能灯，尤其是替代大功率的节能灯还尚需时日。因此，研究开发低成本高性能的大功率节能灯仍然很有必要。

　　开发大功率节能灯，目前主要面临着以下几方面的问题：

　　1. 可靠性：当输入电压出现波动时，除具有APFC(有源功率因数校正)电路外，一般的节能灯没有功率控制功能。由于大功率节能灯的发热量和元器件负荷本来就很大，当功率升高后，将会因不堪重负而引起灯失效。事实上，电网电压是会发生波动的，而发电机、逆变器输出的电压就更不稳定。所以，如将节能灯的功率控制在安全值以下，灯的可靠性将会大大提升。

　　2. 高性能：大于25W的节能灯，根据IEC 61000-3-2/GB 17625.1的要求，三次谐波低于30λ、五次谐波低于10%。目前高功率因数的镇流器不是成本高就是可靠性与寿命还存在问题。另外开关次数也是节能灯的一个重要指标。

　　3. 高光效：发光效率除受灯管影响外，还取决于电子镇流器的工作效率。而镇流器效率受到与灯管匹配的限制，因此开发高效可靠的镇流器也面临着不少困难。

　　4. 低成本：面对白热化的市场竞争，没有成本优势的设计方案是没有市场前景的。如性能卓越的APFC电路，因其成本高的原因，目前只应用在一些高端的节能灯上。

　　今天的半导体工业已经相当发达，一个控制用的IC可能比我们常用的IRF830 MOSFET还便宜。那么，能否有一种方案仅使用一个IC和少量的外围电路来解决灯功率的受控和低电流谐波问题呢?

　　二.RED2102节能灯的性能与成本　　

　　RED2102是香港REDSEM公司运用其拥有的CSOC(Controlled Self Oscillating Converter受控式自激振荡转换器)专利技术研发的节能灯专用IC。它驱动节能灯常用的半桥LC串联型镇流器中的低成本的双极晶体管。不仅成本低，还同时实现了输出功率控制与输入谐波校正的功能，使节能灯具有非常高的性价比。

　　RED2102的特性：

　　l 长寿命，大于10000小时

　　l 低成本的双极晶体管CFL电路

　　l 可控制的预热启动电流

　　l 可控制点火电压的斜率

　　l 电源电压升高时，灯功率被自动限制

　　l 容性模式的检测

　　l 自动的死区时间控制

　　l 外围元件数量少，成本低

　　l IC功耗非常低，封装小

　　1. RED2102的工作原理

　　RED2102工作时通过一个简单的磁环变压器来驱动晶体管基极使晶体管导通，并利用半桥LC串联型电路自身的能量转换和IC输出控制信号的合成作用迫使晶体管开关截止来控制镇流器的工作频率，如图1所示。

 图1 CSOC技术的工作原理

　　CSOC技术不会遇到许多MOSFET镇流器的相关问题。死区时间和容性模式等都由RED2102自动控制。CSOC驱动技术允许使用较小的双极晶体管，成本低。

　　图2是运用RED2102设计的45W节能灯的线路图。

　　图2中U1根据采集到的灯管电流大小，通过磁环T1控制节能灯半桥式镇流器中两个Q1Q2双极晶体管的开关周期与导通时间，实现对灯功率的控制。从而使节能灯在实际使用时，更好地适应电源电压的波动。同时进行输入电流谐波的校正，在成本增加不多的前提下，实现了大功率节能灯性能及可靠性的提升。

　　图2 RED2102的45W节能灯线路图

　　2. RED2102节能灯的性能与成本

　　刚才介绍了RED2102的工作原理。下面结合设计开发的45W节能灯的性能表现分别说明采用该方案后节能灯的性能与成本。

　　图3是节能灯各阶段的工作模式，具有预热启动与功率控制功能。

　　图3 RED2102的工作模式

　　l 预热启动

　　从图3可以看到，电路开始工作后立即进入预热模式，经过一段时间(小于

　　1s)后再进入启动点火模式。由于RED2102具有预热电流与点火电压斜率的控制及通过镇流器OCV(Open Circuit Voltage)的调节，节能灯的开关次数很容易达到30000次以上，满足EuP第五阶段(2013年9月1日起实施)的要求。

　　l 工作效率

　　RED2102不仅自身的功耗非常低，而且因为该IC独特的CSOC专利技术驱

　　动双极晶体管工作，进入正常燃点模式后开关损耗低，镇流器工作效率高。

　　我们与香港REDSEM公司应用该IC合作设计开发的45W节能灯镇流器的工作效率高达93.5%，使节能灯的光效得到保证。样品45W6500K节能灯的实测光效为75.4lm/W。达到了国家标准『GB 19044-2003普通照明用自镇流荧光灯能效限定值及能效等级』的1级要求。

　　l 功率控制

　　RED2102具有功率

　　限制功能。它利用检测到的灯管电流来调节晶体管的导通时间与工作频率。当电压升高时，IC检测到灯管电流增加后会自动提高镇流器的工作频率，从而对灯功率进行限制，实现灯功率的控制。

　　图4 RED2102的功率控制功能

　　图4是常规半桥LC串联型电路和RED2102电路节能灯功率与输入电压之间的关系，从中可以看到：

　　1)通常的半桥LC串联型镇流器的45W节能灯，灯功率与电源电压成正比。

　　2)RED2102的45W节能灯从AC230V开始，灯功率被限制在43.5W以下，AC220V~270V的功率变化小于2%，AC220V~300V的功率变化小于5%.

　　(在AC250V时，RED2102的功率比半桥LC高出5W;在AC270V时，RED2102的功率比半桥LC高出7W，功率相对高出了16%)

　　我们知道，RED2102具有的功率控制功能，不仅使镇流器元器件免遭过负荷冲击，还保持了灯管与镇流器的匹配关系，延长了灯的使用寿命。这样，可以使大功率节能灯也能够在电压波动大的地区、场所推广使用。

　　同样道理。在不改变可靠性的条件下，因为具有功率控制功能，RED2102方案能够使镇流器可以采用更小的晶体管及电感等器件来降低成本。

　　l 谐波电流的校正

　　图5 谐波电流的标准与灯的实测值

　　大于25W节能灯的谐波电流必须符合『IEC 61000-3-2/GB 17625.1-2003电磁

　　兼容 限值 谐波电流发射限值』标准的规定。如图5右下角红线框内的数据所示，该方案45W节能灯的3次谐波为18.5%、5次谐波为2.5%，而7次、9次及11次的谐波更远低于标准的要求，电流的THD(总谐波含量)小于19%。

　　l RED2102节能灯的成本

　　我们知道，通常的节能灯镇流器，其灯功率是与电源电压成正比变化的。如果要使节能灯具有功率控制功能，常用的方法是采用APFC电路，其原理是在整流器与输出电容器之间串联有源功率控制器。有源功率控制器电路不仅需要控制用的IC，还要有CHOCK线圈与MOSFET及快恢复二极管配合工作。如图6所示。

　　图6 升压式APFC 工作原理

　　图6中除控制用的IC外，CHOCK线圈L与MOSFET Q及二极管D都是功率器件，它们的成本与灯功率密切相关。灯功率越大，其成本就越高。因此难以在大功率灯上推广应用。所以，虽然APFC电路在荧光灯镇流器中广泛使用，但因受成本与体积的限制，仅被部分高端的节能灯采用。

　　与性能接近的APFC电路相比，RED2102的节能灯不仅省去了价格不菲的有源功率控制器电路中的CHOCK电感与MOSFET，还实现了APFC所没有的预热启动控制。成本上有十分明显的优势。如与半桥驱动IC相比，RED2102驱动的是双极晶体管，成本低;同时它具有了半桥驱动IC所不具备的功率控制与电流谐波的校正功能。在同样的成本下，性能胜出一筹。

　　三.RED2102技术的应用前景

　　大功率节能灯广泛地应用在照明要求较高的场所，如候机厅、候车室、会议厅、工矿企业、商场酒楼、体育馆等室内场所及车站码头、广场港口、体育场、球场等室外场所，它有着其他产品无可替代的优势，不管是传统的高压气体放电灯还是新兴的LED照明产品，在性价比面前，都显得黯然失色。

　　事实上，一种解决方案的应用推广，成本起着至关重要的作用;否则，以今天的电子技术水平，开发出满足节能灯这些性能要求的镇流器不算难题。而使用RED2102解决方案的大功率节能灯，不仅有效解决了节能灯在可靠性、高性能、高光效等方面遇到的问题，更让人信服的是其出色的成本控制。

　　由于RED2102不但具有良好的性能，而且成本低廉。所以，拥有COSC专利技术的RED2102低成本高性能的节能灯解决方案，在节能灯行业，尤其是大功率节能灯领域具有十分诱人的应用前景。

　　四.结论

　　我们针对大功率节能灯亟需解决的问题，探索如何在低成本的条件下提升其性能与可靠性，并运用RED2102 的解决方案，成功开发了典型的45W节能灯。

　　解决了目前节能灯使用中遇到的实际问题。

　　该灯达到的主要性能指标如下：

　　l 开关次数30000次以上，预热启动可以调控

　　l 灯的光效高达75lm/W，其中镇流器的工作效率93.5%。

　　l 可以很好地适应电源电压的波动(AC220V~270V的功率变化小于2%，AC220V~300V的功率变化小于5%)。

　　l THD <19%，功率因数0.98

　　这些性能是在低成本的条件下实现的。由此可见，可以说RED2102 的解决方案是节能灯镇流器设计开发的一次革命。

　　以上是我们对RED2102解决方案的初步应用与总结，希望能给从事节能灯研发的工程技术人员带来有益的帮助。如有错误和不足之处，欢迎指正与讨论。