- 看LED電源拓撲如何提升LED照明效能
- 穩定電流驅動LED維持固定亮度
- 利用LED調光技術，藉PWM降低亮度較佳
隨著發光二極管(LED)生產成本下降，使用也越來越普遍，應用范圍由手持裝置到汽車、建筑照明等領域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時)，效率佳(每瓦超過120流明)，并具有近乎實時反應的特性，成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內產生光，而白熱燈泡的反應時間則是200毫秒，因此汽車工業已將LED運用于煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅動LED的折沖情形進行介紹，深入探討適合LED驅動及調光的各種切換式電源拓撲，并詳細說明相關優點。
穩定電流驅動LED維持固定亮度
LED驅動仍面臨許多挑戰，要維持固定的亮度，需要以穩定電流驅動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，電流會以指數方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯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該改變，以顯現新的操作電流。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阻抗，決定LED阻抗時，務必考慮環境的熱度。
如果LED是由降壓穩壓器驅動，除了直流電流之外，LED常會傳導電感的交流鏈波電流，根據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強度，也會增加其功率的消耗，并使結點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立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值。由于結點溫度是由平均功率所決定，即使出現大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩壓器當中，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多的情況，則必須降低供應的交流鏈波電流，以維持結點溫度及操作壽命。在此有一個實用的基本原則，就是結點溫度降低10℃，半導體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設計，因為電感限制的關系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應超過制造商指定的最大安全操作額定值。
LED應用于多種領域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇LED驅動器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅動的LED數目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關的設計參數。大部分的LED驅動電路可分為以下幾種拓撲類別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。
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看LED電源拓撲如何提升LED照明效能
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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撲有相同的折沖特點，與電流偵測電阻與門極驅動的位置有關。圖2的降壓升壓拓撲，顯示接地參考的閘極驅動。此拓撲需要位準移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓撲則具有接地參考的電流偵測及位準移位閘極驅動。如果控制IC與負輸出有關，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。只要適當控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅動MOSFET。
基于安全考慮，可能會規定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應用方式下，最節省成本的解決方法就是使用返馳轉換器(圖4)，在所有的隔離拓撲中，這種作法所需要的組件數量最少。變壓器匝數比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓，設計彈性很大，不過缺點在于電源變壓器基本上是訂制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中，也會有高組件應力的情形出現。應用固定燈光時，可以使用「慢速」的回饋控制循環，調節LED電流與輸入電壓同相位的情形，進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調節所需的平均LED電流，并能調節輸入電流與輸入電壓同相位的情形，以提供高功率因子。
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LED調光技術 藉PWM降低亮度較佳
LED常須要調光，舉例來說，有時可能須要調整顯示亮度或是建筑照明。有兩種方式可以達到這個目標，一是降低LED電流，二是快速開關LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流，因為燈光輸出與電流之間并不是完全的線性關系。此外，LED的顏色光譜在電流低于最大額定值時，會有偏移的傾向。人類對亮度的察覺是一種指數關系，因此如果要調整亮度，可能須要大幅度改變電流，這對電路設計的影響甚大。因為在最大電流下3%的調節錯誤，可能會因為電路容忍度，在10%的負載時出現30%以上的錯誤。藉由脈沖寬度調變(PWM)影響電流而降低亮度，是比較正確的作法，不過仍然有反應速度的問題。在照明或顯示時，須要使用100Hz以上的脈沖寬度調節，人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈沖寬度是在毫秒范圍之中，因此電源供應的帶寬需要大于10kHz。
針對不同LED應用 各種電源拓撲應運而生
如同表2所示，LED已廣泛運用于各領域，因此需要許多種類的電源拓撲，支持LED的應用。一般而言，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求，以做出適當選擇。
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