1.3 全球现行标准关于PF和THD的要求

在这里，笔者需要梳理一下现行标准对于PF和THD的要求。由于本书的侧重的范围为中小功率等级，所以参考的法规也就是现行最为广泛采用的一项关于谐波电流的强制性标准，也就是IEC 61000—3—2，随着时间的推移，此标准不断更新，全球各国（包括中国）也通过比照自身的国情，都或多或少在其上进行了修正，在这里我们不详述标准或法规的具体内容，仅突出大家可能以前从来没注意到的问题。

注：本书所提及和参考的标准，均是在成书前的最新版，但标准和法规在不断地更新，读者在设计和参考时需要注意当前标准的状态。

可以看到，谐波电流限值是一项电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）要求，确切地说，是EMC中EMI部分的要求，相信读者通过前面的论述，已经知道了谐波电流过多会影响到什么，所以这是属于电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）的范畴。下面我们侧重看看几个全球主要利益团体对照明产品的PF和THD的要求。

1.IEC 61000—3—2，国际电工委员会（IEC）发布了谐波电流发射第5版标准IEC 61000—3—2：2018，新标准发布日期为2018年1月26日，替代现有第4版IEC 61000—3—2：2014《Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）》。IEC 61000—3—2标准是专门用于考核单相交流电压在220～240V、三相交流电压在380～415V、相电流≤16A的电子电气产品的电流谐波的国际规范。很多国家或地区（比如欧盟、中国、南非等）会直接引用或等效引用该标准，作为电磁兼容认证中对电流谐波参数的考核要求。

新版标准的变化主要体现在对照明设备的要求有较大差异，主要是填补了目前≤25W的照明产品，特别是LED产品的谐波要求，这部分对行业影响深远。因此照明产品相关的厂家需要关注该标准的最新变化，与IEC 61000—3—2：2014相比，照明设备部分的主要技术变化如下考虑到新型照明设备的谐波电流测试，IEC 61000—3—2：Edition 5.0（2018）更新了额定功率≤25W的照明设备的限值要求。在IEC 61000—3—2：Edition 4.0（2014）中对于功率≤25W的照明设备只提到了气体放电灯的谐波电流限值要求，没有明确列出对LED灯等新型照明设备的谐波电流限值要求。因此，对于功率≤25W的LED灯，一般都不做谐波电流测试。在IEC 61000—3—2：Edition 5.0（2018）的第7.4.3节规定，5W≤额定功率≤25W的照明设备中，则不再提及气体放电照明设备的概念，统一归纳成照明设备的概念，并增加了一个可选限值，这样就明确地把低功率的LED灯等新型照明设备也包含了进来，从而对此类产品也提出了谐波电流的测试要求。

新版标准中5W≤额定功率≤25W的新型照明设备（如LED控制装置及灯具等）需要增加测试，涉及产品类别非常广泛，例如一些小功率的LED照明产品，包括LED台灯、LED灯泡、LED灯管等都需要增加测试，虽然这些要求变得更为明确了，但由于某些定义测试条件只是在最大功率下进行，这也存在一定的规避空间。

下表1—1是两份标准中关于照明分类的主要区别。

对于灯具类照明设备（除特殊产品之外）属于该标准中规定的C类设备，应用该C类限值。细分下来，按25W以内和25W以上两大类产品。

对于5W≤额定功率≤25W的被测LED照明设备，具体要求为满足如下三个判据之一：

判据1：满足表1—2中与功率相关的限值要求。

判据2：满足以基波电流的百分比表示的限值，具体来说以基波电流百分比表示的3次谐波电流不得超过86%，5次谐波电流不得超过61%。此外，输入电流的波形应确保其在60°之前或60°时达到5%的电流阈值，在65°之前或65°时具有峰值，并且在90°之前不低于5%的电流阈值（参考电源电压的任何过零点）。电流阈值是发生在测量窗口，相位角测量是在包括这个绝对峰值的周期上进行的（见图1—20）。这个判据很复杂，不易操作，所以一直难以真正在测试中实施。

判据3：THD（总谐波失真或总谐波畸变率）不超过70%，3次谐波电流不超过基波电流的35%，5次谐波电流不超过25%，7次谐波电流不超过30%，9次和11次谐波电流不超过20%，2次谐波电流不超过5%。上述判据1和2与2014版类似，2018版适用产品面更广。判据3则为2019版新增加的部分，除考虑部分奇次谐波与基波的相对值外，还需要符合总谐波畸变率及2次谐波的相对值规定。

对于额定功率大于25W的被测LED照明设备，具体要求和2014版相同，谐波电流不得超过表1—3的相关限值。

在2020年，IEC又发布了IEC 61000—3—2标准的最新修订版5.0版IEC 61000—3—2：2018+A1：2020，新标准的发布日期为2020年7月14日。对于照明大类产品，对上述判据1的限值进行了修正。

将30 λ 直接换成了27，修正这个值的假设是因为现在的技术一般都能实现等于或高于0.9的功率因数，见表1—4。

我们以一个实例来看这个标准的影响。LED灯的额定输入电压为220V，频率为50Hz，额定功率为24W。若使用2014版谐波标准，无需测试，则认为符合谐波标准要求。若用2018版标准，则可用三种方法进行谐波判定，满足其中之一就可认为其符合标准要求，而结果如下：

（1）判据1：用与额定功率相关的谐波发射值，在LED灯稳定工作状态下，测得EUT的谐波发射，见表1—5，奇次谐波发射值均不符合标准要求。

（2）判据2：用以基波电流百分比表示的谐波发射值，LED灯在稳定工作状态且输入电流波形满足图1—20所示波形要求的情况下，测得基波电流为1.1A，3次和5次谐波与基波电流的比值见表1—6，测试结果不符合标准的规定。

（3）判据3：总谐波畸变率（THD）≤70%，在LED灯稳定工作状态下，测得THD=145.7%，该值＞70%，2～11次谐波的测试值见表1—7，结果也不符合标准的要求。

综上所述，用三种判据进行判断，此产品均不符合2018版标准的规定。针对此类样品，以往各版本谐波标准均无需进行谐波试验，则认为符合谐波限值。但是2018版标准对谐波测试的符合性判定有不同的结果。

另一方面，此2018版标准也加强了对调光情况下的管控，更新了含有调光、调色等控制方式的非白炽灯光源的照明设备的测试要求。在标准7.4节中写明，首先要求得到一个最大有功输入功率 P _max ，以确定谐波限值，然后在下面两种情况下都要进行测试并且结果符合限值要求：

1）通过对控制装置的设置获得 P _max ；

2）将控制装置设置到预期在有功输入功率范围内产生最大总谐波电流（THDi）的位置[ P _min ， P _max ]， P _min 具体定义如下：

P _min =5W，如果 P _max ≤50W；

P _min = P _max ×10%，如果50W＜ P _max ≤250W；

P _min =25W，如果 P _max ＞250W。

IEC 61000—3—2（2014版）中只提到了调光这一种控制方式，而2018版标准包括了调光、调色等所有的控制方式，测试要求也更容易操作。

同样，我们采用一个实例来解释说明。可调光LED灯的额定电压为220V，频率为50Hz，额定功率为70W，通过控制器进行功率调节。在谐波测试前，将LED置于正常照明状态一段时间，以保证其工作在稳定状态。据前面所述，进行状态判定：

1）调节控制器的位置，测得最大有功功率 P _max =68.9W时，谐波（电流）发射的柱状图如图1—21所示，其谐波（电流）发射符合表1—3规定的限值。

2）调整照明设备控制器的位置，使有功输入功率在6.7～68.9W范围内可调，以获得最大THDi时的工作状态，此时的有功功率大约为9.5W，谐波（电流）测试结果如图1—22所示。由表1—3可知，2次谐波与基波比率应小于2%，图1—22中很明显看出，2次谐波发射值与基波的比率大于10%，不符合表1—3的限值规定，所以，此调光照明设备不符合2018版标准的要求。

综上，此LED调光灯在 P _max 位置时，谐波测试结果合格，控制器在某个位置、有功功率约为9.5W时，谐波测试结果不合格。因此LED灯具的制造商，特别是亚洲、欧洲市场的生产制造商，IEC标准的覆盖力度很强，更需要密切关注标准的变化，及时更新产品的技术性能，以适应变化。

而D类设备，由于目前消费性电子产品的电源效率越来越高，这几年快充技术的推广，充电器的功率还是以20W/40W/65W居多，75W以上主要的还是大功率计算机适配器和一体机、电视机、计算机等电源产品。这些产品的标准清晰，技术路线也很明确，所以75W以下的设备也开始有意识往高PF值方向设计，但目前还没有看到正式法规有发布此类要求。不过，从长远来看，信息技术类电源的用量也很大，从常规计算机到手机充电器，再到家电类产品等，品类众多，能预计到此类设备对于功率因数的要求应该会加强。

读者还会问，为什么有两个界限，75W和25W，这个笔者查阅了大量的资料，并没有得到一个统一认同的说法，但从查证的资料来看，都指向一个事实就是接入电网中此类设备中的数量，输入功率＜75W的设备不在此标准要求之内，是考虑到标准定义时，IEC 61000—3—2第1版发布于1995年，由于当时电气设备的效率低下，可能存在用电设备普遍功率较高的情况，故75W是作为了一个分界点而提出来。

2.欧盟ErP（Energy-related Products）指令：欧盟委员会于2019年10月1日制定了光源和独立控制器的生态设计法规正式版（EU）2019/2020，于2019年12月5日正式发布，将于2021年9月1日进行强制并废除原法规（EC）244/2009、（EC）245/2009、（EU）1194/2012、实施ErP指令（Directive 2009/125/EC）。这项法规规定了特定的限制值，包括能效要求、功能要求及信息要求。对产品实际的功率、功率因数、有效光通量、空载及待机功耗、显色指数、频闪、色容差、光束角、控制器的效率、流明维持率、产品存活率、颜色饱和度、色温等实际测量结果与产品对应的标称值之间的偏差提出了新的规范要求。ErP对位移因数的最新要求如图1—23所示。

其也定义了市场抽查要求，为广大制造商在大批量生产时提供了一定的容差指导（见图1—24）。

从图1—24可以看到，欧盟ErP指令对此划分得更为详细，从5W以上即开始要求PF。正是由于LED灯具的种类繁多，在这里可以很明显地细分出来了。

3.能源之星：美国能源之星关于灯泡的V2.1版本，在截止本书写作完稿之时（2021年5月），能源之星正式发布了灯泡的V2.1版本（发布时间为2017年6月）。这份资料是作为LED灯泡类（注：能源之星只覆盖部分LED照明产品，具体细节请读者查阅相关文件）生产厂家的产品进入美国地区的指导文件，但是这份报告远远没有包含所有的LED灯。

能源之星发布的灯泡V2.1版本于2017年10月1日正式取代之前的版本，其对于功率因数的要求可以看到，5W以下的灯泡具有豁免权（见图1—25），即不需要考虑功率因数，所以电路设计中可以使用成本很低的电路，这也是大家可以看到很多阻容降压的小功率产品大量在售卖的原因。

对于5W以下的灯仍不做要求，5～10W的灯要求功率因数≥0.6，10W以上是≥0.7。考虑到产品的偏差，PF的值可以允许有±5%的波动。值得注意的一个细节就是，北美的电压范围是全电压120～277V输入（有时甚至到347V或480V），表面上看来，在全电压下满足PF一定值有难度，但实际上灯泡类产品的输入电压一般相对固定，很多是120V输入，所以这个PF标准在能源之星中并不是太严格，所以一般都能够满足。另外，可以看到，能源之星灯泡V2.1版本中对于LED照明产品，没有细化条款，比如THD或是位移因数要求，正是由于这个原因，现在很多出美国的LED灯泡类产品采用的电路导致THD高达40%～50%，但仍然能满足能源之星的要求。

4.美国灯具设计联盟（Design Lights Consortium，DLC），因为能源之星并没有包含全部的LED灯类别，其中很大的一类就是灯管类产品，用来代替原来的荧光灯管，包括T5、T8、T10、T12等，所以作为能源之星的补充，DLC对灯具及其他能源之星未包含的产品进行认证，其对PF以及THD有明确的要求，如下图1—26所示是最新的要求（截止本书撰写完稿时，即2021年5月，DLC已发布了V5.1版本的要求），其中明确提到PF≥0.9，THDi≤20%，这也算是一个比较明确的要求。

而同样考虑到产品的容差，DLC标准同时给出了误差的范围，其中对于PF可以允许最小为0.87，而THDi最大可以到25%，见表1—8。

值得说明的是，DLC对于功率因数和谐波失真的误差进行了说明：对于任何以百分比为测量单位的性能指标，相应的公差以百分比形式表现。例如，≥0.90（即≥90%）的功率因数有-3%的公差，也就是功率因数必须≥0.87（即≥87%），最终的范围要求见表1—9。

其实，DLC从V4.4版本到V5.1版的发布过程中，在DLC固态照明技术要求V5.0的草案V5.0第2版，（发布日期为2019年9月30日），其中提到了想移除PF和THD的要求，其原因和具体要求如图1—27所示。总之DLC认为，取消这些要求是一个适当的折中，要求更多的测试围绕光的质量进行。这个观点笔者也比较认可，后续会提到。但实际上当DLC V5.1正式发布（2020年2月14日）时并没有取消关于THD和PF的要求，而是一直保留了对于THD为20%和PF为0.9的要求。

注意到，能源之星、DLC、ErP对PF的要求都是针对灯（即集成了电源驱动的一体化设计），而不是驱动电源的要求，这样对于那些生产电源或是驱动的厂家而言，还只是有25W和75W的两个大的门槛要求。

5.IEC 60969—2016《普通照明用自镇流灯—性能要求》（2016年V2.0版）：从本书前述章节可以看到，PF总是与其两部分同时存在，现在的绝大多数标准都是笼统地给予PF一个具体数字化的要求，有没有同时对PF两个维度都给予要求的情况呢？答案是肯定的，笔者通过查阅资料，发现在标准IEC 60969—2016中分别提及位移因数和THD这一要求，并给出了推荐要求值，这是唯一一项对PF的两个维度都做出要求的一个标准（见表1—10）。

重写PF的公式及两个部分如图1—28所示。

从标准的表述来看，所有的值仅为实际测试值，仅是给出参考推荐值，所以实际产品可能仍然不会遵守此值，因为单纯地测试位移因数，需要一定的测试技巧，相角 φ 定义为输入电压和输入电流一次谐波（基波）之间的相位差。可见标准IEC 60969—2016和ErP指令还有点差别。

6.美国加州要求：Title 20和Title 24。美国加利福尼亚州，其在经济、人口、教育、科技等领域独领风骚，作为一个高度发达富裕的州，如果把加州看作一个国家，其GDP可以排到全球第五，排在美国、中国、日本、德国之后，超过全球95%的国家，可谓富可敌国。其实加州的经济总量在2018年就已经超过英国，排名全球第五，并且它一个州的经济可以堪比非洲和澳洲两块大陆，也就南美洲能够稍稍超过它一些，并且真的是稍稍超过。所以从事消费电子行业的，非常熟悉加州，这个州的一些法规条款直接决定了整个出口美国的消费性电子产品的性能。如我们熟悉的CEC能效标准（将在本书第2章介绍）。

美国加州能源委员会（CEC）建议修订《电器效率法规》（Title 20，简称T20），T20对符合的照明产品要求PF≥0.7。美国加州家用及非家用的建筑能效要求（Title 24，简称T24），T24对符合的照明产品要求PF≥0.9，二者均无THD的要求，关于T20和T24的更多内容，读者可以进一步参考其他相关资料。

7.国内情况：因为我国的标准基本是参考欧洲标准体系，且标准的实施进程缓慢，目前对于PF仍没有统一的要求，反而是存在大量参差不齐的地方标准和企业标准。中国质量认证中心2014年颁布了一份CQC 3146—2014《LED模块用交流电子控制装置节能认证技术规范》，这是目前国内一份驱动电源申请CQC认证的要求（见表1—11），且于2017年11月更新到CQC 3146—2017，CQC还是非强制性的，所以仍有拿着低功率因数电源放在灯具里的产品存在，这个问题最直接的影响就是，对于灯具组装厂家而言，如果选择了比较低端的LED驱动电源来适配LED灯，然后成品出售时，面临着不合法规的风险。