簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)器給力 高功率LED照明成本效益大增

發(fā)光二極管(LED)具有省電且毋須頻繁維護(hù)的特性，已成為路燈及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展主流。LED照明驅(qū)動(dòng)方法雖包羅萬象，但為達(dá)到市場(chǎng)對(duì)更高效率及更低系統(tǒng)成本的要求，以新的簡(jiǎn)易拓?fù)潆娐穪眚?qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串已勢(shì)在必行。
 
　　觀察路燈或用于體育場(chǎng)的高天井燈，以及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，正逐漸轉(zhuǎn)向使用發(fā)光二極管(LED)做為光源的固態(tài)照明，主要原因在于LED具有更高的能源效率及較不頻繁的維護(hù)需求，而這兩項(xiàng)因素也證明如此的轉(zhuǎn)向確有其必要性。

　　在此類高功率照明應(yīng)用中，目前正考慮使用各種方法來驅(qū)動(dòng)這些照明燈，本文將討論一種能以更高的效率及更低的系統(tǒng)成本，來驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串的新拓?fù)洹槌浞至私獯艘煌負(fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，首先將探討目前正在考慮解決方案或已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中發(fā)揮良好效果的各種方法。  

　　驅(qū)動(dòng)多LED串求效率　并/串聯(lián)方案各有利弊 

　　要驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串，最簡(jiǎn)單的方法是使用能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為直流電(DC)輸出電壓(例如12伏特或24伏特)的電源，然后以此一電源驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED燈串，且在各個(gè)燈串中使用電阻來調(diào)節(jié)電流。此方法成本很低，但是現(xiàn)今的高亮度LED會(huì)耗用350毫安(mA)以上的電流，故這種方法的損耗極大，造成效率不高，且電流調(diào)節(jié)效果不佳，而使得燈串之間的光線差異極為明顯。  

　　若要改善這種方法，必須使用線性穩(wěn)壓器取代電阻，以提升所有燈串的光線輸出一致性。然而，這樣做只能使光線輸出一致，而效率或功耗并未明顯改善。對(duì)于使LED使用壽命達(dá)到最長(zhǎng)而言，降低功耗非常重要。在這兩種方法中，使用電阻或線性穩(wěn)壓器做為固定熱源，都會(huì)大幅縮短LED的使用壽命。  

　　另一種同樣相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法是制作長(zhǎng)的單一串聯(lián)燈串，并使用可產(chǎn)生高壓DC穩(wěn)定電流來源的單一電源。這種方法的高壓運(yùn)作會(huì)達(dá)到60VDC或42伏特均方根值(RMS)安全極低壓(SELV)位準(zhǔn)以上，而其中的照明設(shè)備或附件須經(jīng)過安全機(jī)構(gòu)的許可，因而使得將相同電機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)用于其他應(yīng)用的彈性大為降低。 
 
　　單一燈串方法的另外一項(xiàng)考慮因素是可靠性。如果只有一個(gè)LED開啟，便會(huì)釋放整個(gè)照明設(shè)備的光線輸出。雖然可加裝許多消弧電路或裝置來控制各個(gè)LED開啟，但是這會(huì)增加燈具的成本及復(fù)雜度。  

　　發(fā)光二極管(LED)具有省電且毋須頻繁維護(hù)的特性，已成為路燈及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展主流。LED照明驅(qū)動(dòng)方法雖包羅萬象，但為達(dá)到市場(chǎng)對(duì)更高效率及更低系統(tǒng)成本的要求，以新的簡(jiǎn)易拓?fù)潆娐穪眚?qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串已勢(shì)在必行。
 
　　觀察路燈或用于體育場(chǎng)的高天井燈，以及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，正逐漸轉(zhuǎn)向使用發(fā)光二極管(LED)做為光源的固態(tài)照明，主要原因在于LED具有更高的能源效率及較不頻繁的維護(hù)需求，而這兩項(xiàng)因素也證明如此的轉(zhuǎn)向確有其必要性。

　　在此類高功率照明應(yīng)用中，目前正考慮使用各種方法來驅(qū)動(dòng)這些照明燈，本文將討論一種能以更高的效率及更低的系統(tǒng)成本，來驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串的新拓?fù)?。為充分了解此一拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，首先將探討目前正在考慮解決方案或已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中發(fā)揮良好效果的各種方法。  

　　驅(qū)動(dòng)多LED串求效率　并/串聯(lián)方案各有利弊 

　　要驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈串，最簡(jiǎn)單的方法是使用能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為直流電(DC)輸出電壓(例如12伏特或24伏特)的電源，然后以此一電源驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED燈串，且在各個(gè)燈串中使用電阻來調(diào)節(jié)電流。此方法成本很低，但是現(xiàn)今的高亮度LED會(huì)耗用350毫安(mA)以上的電流，故這種方法的損耗極大，造成效率不高，且電流調(diào)節(jié)效果不佳，而使得燈串之間的光線差異極為明顯。  

　　若要改善這種方法，必須使用線性穩(wěn)壓器取代電阻，以提升所有燈串的光線輸出一致性。然而，這樣做只能使光線輸出一致，而效率或功耗并未明顯改善。對(duì)于使LED使用壽命達(dá)到最長(zhǎng)而言，降低功耗非常重要。在這兩種方法中，使用電阻或線性穩(wěn)壓器做為固定熱源，都會(huì)大幅縮短LED的使用壽命。  

　　另一種同樣相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法是制作長(zhǎng)的單一串聯(lián)燈串，并使用可產(chǎn)生高壓DC穩(wěn)定電流來源的單一電源。這種方法的高壓運(yùn)作會(huì)達(dá)到60VDC或42伏特均方根值(RMS)安全極低壓(SELV)位準(zhǔn)以上，而其中的照明設(shè)備或附件須經(jīng)過安全機(jī)構(gòu)的許可，因而使得將相同電機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)用于其他應(yīng)用的彈性大為降低。 
 
　　單一燈串方法的另外一項(xiàng)考慮因素是可靠性。如果只有一個(gè)LED開啟，便會(huì)釋放整個(gè)照明設(shè)備的光線輸出。雖然可加裝許多消弧電路或裝置來控制各個(gè)LED開啟，但是這會(huì)增加燈具的成本及復(fù)雜度。  

　　運(yùn)用降壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電流　降低驅(qū)動(dòng)電路成本成關(guān)鍵 

　　事實(shí)上，在高功率LED照明應(yīng)用中，最常使用切換穩(wěn)壓器以調(diào)節(jié)電流的多重?zé)舸軜?gòu)，其中的單一主電源會(huì)將交流電(AC)電源轉(zhuǎn)換為一般在SELV位準(zhǔn)以下的單一DC總線電壓；然后，此總線會(huì)為并聯(lián)LED燈串供電，而各個(gè)燈串都有降壓轉(zhuǎn)換器(最常見)或升壓轉(zhuǎn)換器。為求簡(jiǎn)便，本文的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器在成本及組件數(shù)目方面都與升壓轉(zhuǎn)換器極為類似。  

　　舉例來說，圖1顯示一個(gè)低成本簡(jiǎn)易型降壓穩(wěn)壓器電路，包含脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制器、電感、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)、二極管，以及多個(gè)電阻與電容。如果需要更高的效率，可以使用MOSFET代替二極管，并使用能夠達(dá)到同步降壓運(yùn)作的PWM控制器。

   
 
圖1 簡(jiǎn)易型降壓穩(wěn)壓器

　　而圖2則顯示利用降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)的高功率多重?zé)舸彰鲬?yīng)用子系統(tǒng)區(qū)塊。當(dāng)AC電源輸入經(jīng)過整流后，便供給到功率因子修正(PFC)升壓電路，其中PFC會(huì)產(chǎn)生400伏特的高壓，而向下游隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器提供輸入電源。然后，該轉(zhuǎn)換器輸出會(huì)用來產(chǎn)生低壓總線(一般為12伏特或24伏特)，而向經(jīng)過降壓調(diào)節(jié)的LED燈串供電。   

 
圖2 使用降壓穩(wěn)壓器的一般高功率LED照明系統(tǒng)

　　這種方法擁有較高的效率，是以最小LED燈串?dāng)?shù)構(gòu)成LED照明的理想選擇。不過，對(duì)于具有四個(gè)以上燈串的高功率應(yīng)用而言，組件數(shù)量及成本都會(huì)增加。對(duì)于電子組件廠商及供應(yīng)鏈而言，產(chǎn)品銷售量雖隨之增加；然而，對(duì)于照明設(shè)備廠商及其用戶來說，如此高的成本不利于產(chǎn)品受到廣泛使用，因?yàn)楣虘B(tài)照明的穩(wěn)定發(fā)展須仰仗低成本的驅(qū)動(dòng)電路，才能讓市場(chǎng)成形并穩(wěn)定成長(zhǎng)。 

  　　兼具低成本/高效率　電氣絕緣設(shè)計(jì)方案亮眼 

　　圖3顯示串聯(lián)輸入多重并聯(lián)LED簡(jiǎn)易(Simple)驅(qū)動(dòng)器，這是一種極具成本效益的多重LED燈串驅(qū)動(dòng)方法。除了PFC之外，這也是一種兩段式方法，其中包括反向穩(wěn)定電流降壓穩(wěn)壓器及下游DC-DC變壓器電路。該方法的效率相當(dāng)高，且具有優(yōu)異的燈串電流調(diào)節(jié)功能，最重要的是，這是一個(gè)低成本的方法。   

 
圖3 簡(jiǎn)易型驅(qū)動(dòng)多變壓器

　　此外，針對(duì)各個(gè)燈串加裝的單一被動(dòng)硅控制整流器(SCR)消弧電路，這個(gè)方法也能夠達(dá)到備援效用。如果一個(gè)LED或燈串開啟，則光線輸出不會(huì)高于其他燈串。  

　　在深入研究其中的運(yùn)作之前，必須先討論對(duì)于使用簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)多變壓器方法時(shí)出現(xiàn)的問題。首先要注意這是電氣絕緣設(shè)計(jì)，其中可設(shè)計(jì)二次側(cè)輸出電壓維持在SELV位準(zhǔn)以下，便不須讓照明設(shè)備與電源結(jié)合與互連，以獲得安全機(jī)構(gòu)的許可。原因與本文討論的所有脫機(jī)解決方案一樣，電源仍然須要安全許可，但是燈具并不需要，便省去一道流程。 
 
　　此外，將輸出維持在這些位準(zhǔn)以下，亦可增加本身的彈性，使各種燈具都能滿足其他許多照明應(yīng)用的需求。  

　　另從散熱管理的角度來看，這種絕緣設(shè)計(jì)較為理想，因?yàn)槠渲袥]有對(duì)LED近接或接觸金屬附件的任何限制。更顯著的特點(diǎn)是，這種絕緣設(shè)計(jì)不需輸出端的回授，故不必使用光電或其他安全額定的絕緣回授裝置，所以，本文也會(huì)探討二次側(cè)的簡(jiǎn)易性，因?yàn)槎蝹?cè)只有少數(shù)的被動(dòng)組件，且沒有任何偏壓電源、主動(dòng)組件或操控裝置。  

　　總結(jié)來說，在運(yùn)作方面，簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)器擁有1%以上的絕佳燈串電流匹配，而且具有高效率的諧振運(yùn)作，能夠隨著燈串?dāng)?shù)增加而達(dá)到更高的成本效益。 

　　PFC電路輸出降低切換損耗

　　接著探討PFC電路的輸出，其為反向降壓電路的輸入模式，可經(jīng)過配置而產(chǎn)生穩(wěn)定電流輸出，而系統(tǒng)封閉回路便位于這種電流附近，因此，所產(chǎn)生的電流輸出會(huì)向下游供給到DC-DC變壓器電路，而該電路包含一個(gè)半橋式控制器、兩個(gè)MOSFET、電容C1與電容C2，以及多個(gè)變壓器。 

　　然后，該電流還會(huì)流經(jīng)半橋式MOSFET開關(guān)，到達(dá)串聯(lián)變壓器的一次側(cè)，其中，電容C1與C2將發(fā)揮許多功能，不僅可用于為半橋式建立分壓器，同時(shí)是諧振電路的組成組件，并且是DC阻隔電容，有助于避免變壓器飽和。而諧振運(yùn)作允許MOSFET開關(guān)以零電壓切換(ZVS)進(jìn)行切換，這可降低切換損耗，并且強(qiáng)制輸出二極管達(dá)到零電流切換(ZCS)，以發(fā)揮最大的效率。 

　　必須注意的是，現(xiàn)已轉(zhuǎn)換為AC電流的DC電流會(huì)通過所有串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧振?？纱?lián)的變壓器一次側(cè)數(shù)目相當(dāng)有彈性，因?yàn)榭蛇x擇繞組匝數(shù)比來支持許多變壓器或LED燈串。不過，計(jì)算匝數(shù)比須考慮燈串?dāng)?shù)，這是由于其中規(guī)定變壓器數(shù)目及各個(gè)燈串的正向電壓。 

　　發(fā)揮功率轉(zhuǎn)換效益　PFC設(shè)計(jì)考慮不可或缺

　　若要發(fā)揮功率轉(zhuǎn)換的最高效率，必須盡可能處理最少的功率，如此一來，也須盡可能接近輸入電壓進(jìn)行運(yùn)作才能達(dá)成。由于大多數(shù)高功率照明應(yīng)用都支持主動(dòng)PFC的使用，因此，為簡(jiǎn)單起見，可將它視為功能區(qū)塊，并且將一些典型值輸出代表其中的輸出。 

　　由于大多數(shù)主動(dòng)PFC電路都能發(fā)揮升壓轉(zhuǎn)換器的作用，因此PFC輸出電壓的設(shè)定必須高于最高AC線路電壓的峰值。在85～265VAC的一般輸入范圍中，大約是375伏特。增加容限及容差的一些動(dòng)態(tài)范圍之后，400伏特便成為典型的設(shè)定值。 

　　此外，為確保下游降壓擁有PFC輸出變化的較多動(dòng)態(tài)范圍，就須增加較多的容限，以適應(yīng)約40伏特的漣波，這使得反向降壓輸入運(yùn)作點(diǎn)下限為大約360伏特。再加上為確保降壓輸出具有一定的最大壓降，以便運(yùn)作正常，也須要提供一定的動(dòng)態(tài)范圍，并將輸出范圍限定在280伏特。 

　　計(jì)算降壓/變壓器匝數(shù)比　穩(wěn)定電流值呼之欲出　 

　　了解各個(gè)范圍限度之后，下一個(gè)步驟是要了解如何透過降壓及變壓器匝數(shù)比來計(jì)算此一設(shè)計(jì)實(shí)例的穩(wěn)定電流值。在此類設(shè)計(jì)中，使用兩個(gè)變壓器以1安培(A)的電流驅(qū)動(dòng)四個(gè)LED燈串，各個(gè)燈串都具有十個(gè)高功率LED。假設(shè)LED正向電壓為3.5伏特，而燈串電壓為35伏特，由于DC降壓的輸出運(yùn)作點(diǎn)是設(shè)定在280伏特，故此時(shí)成為DC-DC變壓器電路的輸入。 

　　此一情形表示施加于串聯(lián)一次側(cè)的電壓將為電容分壓器(由C1與C2組成)電壓的二分之一，使得串聯(lián)一次側(cè)配置的電壓達(dá)到140伏特。如公式1所示： 

　　透過公式1的等式，各個(gè)變壓器的一次側(cè)電壓(VP)=橋接電壓/變壓器數(shù)=140伏特/2=70伏特，匝數(shù)比的計(jì)算變得相當(dāng)容易，其中NP=一次側(cè)匝數(shù)；NS=二次側(cè)匝數(shù)；VS=二次側(cè)或LED燈串電壓；VP=各個(gè)一次側(cè)繞組兩端的電壓。 

　　另一方面，若要計(jì)算各個(gè)變壓器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED燈串時(shí)，有關(guān)反向降壓的電流輸出設(shè)定值，必須先確認(rèn)交替半個(gè)周期中各個(gè)變壓器只有一個(gè)燈串導(dǎo)電。 

　　不過，要在休眠期間維持LED導(dǎo)電狀態(tài)，向?qū)щ姛舸峁┑碾娏鞅仨毷荓ED電流的兩倍；也就是說，在所需LED電流為1安培的情況下，每半個(gè)周期向LED及濾波器電容提供的電流為2安培。若要計(jì)算降壓穩(wěn)壓器，則必須如公式2所示設(shè)定電流值(ISet)： 

　　如上所述，確定變壓器需求相當(dāng)簡(jiǎn)單，同時(shí)使簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)成為能因應(yīng)眾多不同照明應(yīng)用的彈性解決方案。不過，若要使簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)成為眾多LED照明應(yīng)用區(qū)塊方法的一部分，還須要考慮上游功率級(jí)，例如半橋式的功率處理組件、反向降壓及PFC等，因?yàn)楸仨氄{(diào)整這些功率級(jí)，才能處理所希望驅(qū)動(dòng)器達(dá)到的最高功率級(jí)。