詮釋LED電源拓?fù)淙绾瓮昝捞嵘齃ED照明能效

穩(wěn)定電流驅(qū)動LED維持固定亮度 　　LED驅(qū)動仍面臨許多挑戰(zhàn)，要維持固定的亮度，需要以穩(wěn)定電流驅(qū)動LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰(zhàn)更大。 　　LED具有順向V-I特性，與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過LED的電流量非常少。超過此閾值之后，電流會以指數(shù)方式增強(qiáng)，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯(lián)電阻的電壓來源模型。不過須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應(yīng)該改變，以顯現(xiàn)新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會提升裝置溫度，改變順向壓降與動態(tài)阻抗，決定LED阻抗時，務(wù)必考慮環(huán)境的熱度。 　　如果LED是由降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動，除了直流電流之外，LED常會傳導(dǎo)電感的交流鏈波電流，根據(jù)所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強(qiáng)度，也會增加其功率的消耗，并使結(jié)點(diǎn)溫度升高，對LED的壽命有重大影響。 　　如果在燈光輸出上設(shè)立70%的限制作為LED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的15，000小時，延長到63℃的40，000小時。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數(shù)值。由于結(jié)點(diǎn)溫度是由平均功率所決定，即使出現(xiàn)大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩(wěn)壓器當(dāng)中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流(Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。 　　如果是大于此程度相當(dāng)多的情況，則必須降低供應(yīng)的交流鏈波電流，以維持結(jié)點(diǎn)溫度及操作壽命。在此有一個實(shí)用的基本原則，就是結(jié)點(diǎn)溫度降低10℃，半導(dǎo)體的壽命就會增加兩倍。實(shí)際上大部分的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡姼邢拗频年P(guān)系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應(yīng)超過制造商指定的最大安全操作額定值。 　　LED應(yīng)用于多種領(lǐng)域需多種電源拓?fù)渲С? 　　表1的信息可供作選擇LED驅(qū)動器最佳切換拓?fù)涞膮⒖?。除了這些拓?fù)渲?，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩(wěn)壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。大部分的LED驅(qū)動電路可分為以下幾種拓?fù)漕悇e：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。 　　圖1顯示三個基本電源拓?fù)涞睦?，第一張圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器，可使用于輸出電壓永遠(yuǎn)小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩(wěn)壓器改變金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的導(dǎo)通時間，以控制進(jìn)入LED的電流?？稍竭^電阻測量電壓以進(jìn)行電流偵測;電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅(qū)動MOSFET是本方法在設(shè)計(jì)上的重大挑戰(zhàn)，如果從成本及效能的觀點(diǎn)來看，建議使用須要浮接閘極驅(qū)動的N信道FET。N信道FET須要使用驅(qū)動變壓器或是浮動驅(qū)動電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。 　　圖1也顯示替代的降壓穩(wěn)壓器(Buck#2)。在此電路中，MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，大幅降低了驅(qū)動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監(jiān)控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準(zhǔn)移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡單的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器，則是在輸出電壓永遠(yuǎn)大于輸入時使用。 　　這種拓?fù)湓O(shè)計(jì)容易，因?yàn)镸OSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類型。此電路的缺點(diǎn)是在短路時，無法限制通過電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護(hù)裝置。此外，還有一些較復(fù)雜的拓?fù)淇商峁┻@類保護(hù)。 　　圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓?fù)溆邢嗤恼蹧_特點(diǎn)，與電流偵測電阻與門極驅(qū)動的位置有關(guān)。圖2的降壓升壓拓?fù)?，顯示接地參考的閘極驅(qū)動。 　　此拓?fù)湫枰粶?zhǔn)移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓?fù)鋭t具有接地參考的電流偵測及位準(zhǔn)移位閘極驅(qū)動。如果控制IC與負(fù)輸出有關(guān)，且電流偵測電阻與LED進(jìn)行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓?fù)?。只要適當(dāng)控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅(qū)動MOSFET。 　　降壓升壓的拓?fù)浞绞诫娏飨鄬^高，舉例來說，如果輸入及輸出電壓相同，電感及電源開關(guān)電流是輸出電流的兩倍以上，這對效能及功率消耗會造成負(fù)面影響。圖3的「升壓或降壓」拓?fù)淇蓽p輕這些問題，在此電路中會有一個升壓功率級，之后則有一個降壓功率級。如果輸入電壓高于輸出電壓，升壓功率級就會提供電壓調(diào)節(jié)，而降壓功率級則只傳遞功率。如果輸入電壓低于輸出電壓，則降壓功率級提供電壓調(diào)節(jié)，升壓功率級傳遞功率。通常降壓及升壓的運(yùn)作，會有一些重迭的時間，因此在變換模式時不會出現(xiàn)死區(qū)(Dead-band)。 　　針對不同LED應(yīng)用各種電源拓?fù)鋺?yīng)運(yùn)而生 　　如同表2所示，LED已廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域，因此需要許多種類的電源拓?fù)?，支持LED的應(yīng)用。一般而言，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求，以做出適當(dāng)選擇。如果輸入電壓一定大于或小于輸出電壓，選擇就很明確，一定是降壓或升壓。但如果彼此關(guān)系并不明確，便不易做出選擇，有非常多的折沖作法，包括效能、成本以及可靠性等等。