工程師分享：新型高功率LED驅(qū)動(dòng)電路探索

　　逐漸取代傳統(tǒng)白熱燈泡與熒光燈的發(fā)光二極管(LED)，具備低污染、低消費(fèi)電力、高發(fā)光效率、長(zhǎng)壽命、無(wú)水銀成分等優(yōu)勢(shì)，它的發(fā)展動(dòng)向已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。最近幾年隨著LED發(fā)光效率甚至超越傳統(tǒng)熒光燈，一般認(rèn)為未來(lái)提高照明燈具整體的綜合效率越來(lái)越重要，然而實(shí)際上不論是哪種型式的LED燈驅(qū)動(dòng)電路，都會(huì)有10~20%左右的消費(fèi)電力損失，因此改善電源的轉(zhuǎn)換效率，再度成為重要課題。

　　以往使用AC100V平順化后的DC140V電源方式，極容易發(fā)生突波電流。所謂「突波電流」突波電流是指開(kāi)啟電源后，流入平順化電容器的巨大充電電流。具有平順化電容器、可以驅(qū)動(dòng)復(fù)數(shù)個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電路，點(diǎn)燈時(shí)可能會(huì)造成斷電器跳脫，此外電源切換器高溫融溶附著，以及對(duì)電路組件的過(guò)負(fù)載，都可能引發(fā)各種問(wèn)題。雖然突波電流抑制電路已經(jīng)實(shí)用化，不過(guò)它的電源轉(zhuǎn)換效率卻很低，因此研究人員使用半導(dǎo)體繼電器(Photo MOS Relay)，開(kāi)發(fā)LED燈專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路高效率化的目的。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)90~110V變動(dòng)的電源電壓，電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80.7~91.8%，而且還能夠降低突波電流。新型LED燈專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路，充分發(fā)揮2個(gè)半導(dǎo)體繼電器特性，它具有高效率、低消費(fèi)電力、低組件數(shù)量、低產(chǎn)業(yè)廢棄物與低制作成本等特征。照明燈具即使提高1%的動(dòng)作效率，對(duì)二氧化碳排放量的抑制、或是減緩地球暖化都有重大貢獻(xiàn)，因此LED燈專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展，已經(jīng)受到業(yè)者高度重視。接著本文要探討使用半導(dǎo)體繼電器突波電流抑制電路的新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作原理與特征。

　　LED驅(qū)動(dòng)電路

　　圖1是新型LED燈專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路?？紤]照明燈具整體效率時(shí)，電源效率與LED發(fā)光效率同樣重要?；旧螸ED的順向電壓只有數(shù)V非常低，因此LED燈可以使用各種方法，轉(zhuǎn)換AC100~110V電源驅(qū)動(dòng)LED，然而LED燈專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路本身，就有各式各樣的特性與問(wèn)題，接著根據(jù)電源效率的觀點(diǎn)，透過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路的比較，深入探討各種驅(qū)動(dòng)方式的特征。

　　驅(qū)動(dòng)方式

　　驅(qū)動(dòng)方式主要分成三大類(lèi)，分別是：(1)降壓、分壓方式；(2)直接使用AC100~110V方式；(3)使用DC140V方式。

有關(guān)第(1)項(xiàng)降壓、分壓方式，本質(zhì)上LED的順向電壓非常低，因此可以使用變壓器降壓，或是使用平順化電容器降壓，類(lèi)似這樣降壓、分壓方式，主要缺點(diǎn)是損失非常大，經(jīng)常高達(dá)10~20%。此外LED高輝度化時(shí)，必須提高輸出、增加電流，然而電流穩(wěn)定化卻需要使用電流穩(wěn)定化控制電路，其結(jié)果反而造成組件使用數(shù)量、制作成本有增加之虞。

　　有關(guān)第(2)項(xiàng)，直接使用AC100~110V方式施加至LED燈群，由于這種方式?jīng)]有任電力何損失，因此它的電源效率幾乎是100%，目前所有交流驅(qū)動(dòng)LED燈都采用這種方式。動(dòng)作時(shí)它是直接對(duì)LED燈施加半波或是全波波形，由于這種方式并沒(méi)有平順化電路，因此輝度會(huì)急遽降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，此外LED的使用數(shù)量高達(dá)2倍，即使如此下列驅(qū)動(dòng)方式同樣會(huì)使全光束降低。

　　有關(guān)第(3)項(xiàng)使用非降壓DC方式，由于這種方式的AC100~110V未作降壓、分壓，直接進(jìn)行全波整流、平順化取得DC140V的電源，因此電源效率非常高，可以施加到LED燈群的電壓也超過(guò)100V。非降壓DC方式通常是串聯(lián)連接LED，它可以獲得非常明亮的照明，不過(guò)這種方式使用大靜電容量的平順化電容器，因此會(huì)有許多突發(fā)電流流動(dòng)。

　　驅(qū)動(dòng)方式的比較

　　表1為上述驅(qū)動(dòng)方式的比較結(jié)果一覽。

　　突波電流抑制電路

　　表1中的非降壓DC型驅(qū)動(dòng)方式，主要缺點(diǎn)會(huì)有突波電流的困擾。如上所述所謂「突波電流」是指開(kāi)啟電源后，流入平順化電容器的巨大充電電流。突波電流經(jīng)常成為斷電器跳脫、或是對(duì)電路組件造成過(guò)負(fù)載的主要原因，如圖2所示為抑制突波電流，類(lèi)似電阻串聯(lián)連接至平順化電容器等方法都非常有效，然而突波電流是過(guò)渡期間發(fā)生的現(xiàn)象，過(guò)渡期間以外的恒定狀態(tài)，抑制突波電流的電阻，反而會(huì)引發(fā)不必要的電力損失。為削減恒定狀態(tài)時(shí)的額外電力損失，以往大多使用熱敏型(Thermist)或是閘流體型(Thyristor)構(gòu)成的電流抑制電路，不過(guò)這類(lèi)電路卻成為提升電源效率的主要障礙。

　　突波電流抑制電路的必要性

　　電荷未滯留在平順化電容器時(shí)，切換器一旦變成ON，為了滯留電荷會(huì)有很大的突波電流流動(dòng)，反過(guò)來(lái)說(shuō)無(wú)突波電流抑制電路的場(chǎng)合，理論上該值會(huì)變成無(wú)限大。新開(kāi)發(fā)的電路會(huì)先使電源電壓以DC140V流入LED，接著再使用220μF使平順化電容器，能夠以最大電流155mA動(dòng)作。

　　圖3是測(cè)試突波電流的實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示突波電流的最大值為36A。為測(cè)試電流本電路刻意附加1Ω的電阻，不過(guò)實(shí)際上卻是0Ω，換句話說(shuō)可能有更多的電流流動(dòng)，類(lèi)似這樣過(guò)大電流流動(dòng)會(huì)引發(fā)上述弊害，因此必須設(shè)置突波電流抑制電路。

　　各種突波電流抑制電路

　　傳統(tǒng)突波電流抑制電路大多使用熱敏型、閘流體型，或是半導(dǎo)體繼電器型，新開(kāi)發(fā)的LED燈專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路，則改用半導(dǎo)體繼電型突發(fā)電流抑制電路。接著介紹各種突波電流抑制電路的特征。

　　熱敏型

　　使用熱敏型主要目的是取代突波電流抑制用電阻，所謂「熱敏型」是指連接熱敏電阻的方法。圖4是熱敏阻型抑制突波電流控制電路圖，動(dòng)作原理突波電流造成溫度上升的同時(shí)，電阻熱敏的阻抗值會(huì)自動(dòng)下降，如此就可以減少恒定狀態(tài)時(shí)的電力損失。不過(guò)這種方式切斷電源立即再開(kāi)啟時(shí)，熱敏電阻的溫度受到預(yù)熱影響，會(huì)持續(xù)維持上升狀態(tài)，因此同樣有發(fā)生大突波電流之虞。

　　閘流體型

閘流體型是將閘流體與突波電流抑制用電阻并聯(lián)設(shè)置，恒定狀態(tài)時(shí)使閘流體變成ON狀態(tài)，在此同時(shí)使突發(fā)電流抑制用電阻旁通，藉此削減電力損失。圖5是閘流體型抑制突發(fā)電流控制電路圖，本電路為了使閘流體ON、OFF，必須使用控制電路與控制電路用電源。雖然這種方式可以削減突波電流抑制用電阻的電力損失，不過(guò)突波電流控制電路還本身會(huì)是會(huì)消費(fèi)電力，因此效率實(shí)際上并不如預(yù)期理想，此外隨著組件使用數(shù)量增加，電路封裝面積與制作成本同樣有上升之虞。

　　半導(dǎo)體繼電器型

　　圖6是新開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體繼電器型抑制突波電流控制電路圖，本電路使用半導(dǎo)體繼電器旁通突波電流抑制用電阻。半導(dǎo)體繼電器的消費(fèi)電力很小，恒定狀態(tài)時(shí)的損失非常微量，若與LED燈單元并聯(lián)設(shè)置半導(dǎo)體繼電器的輸入端，就可以省略上述閘流體型的突波電流抑制電路用電源與控制電路，有效減少恒定狀態(tài)時(shí)的電力損失。此外半導(dǎo)體繼電器的輸入端與輸出端呈電氣性絕緣，因此電路設(shè)計(jì)很容易、電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)易，而且可以有效抑制電路封裝面積的增加。表2是以上三種突波電流控制電路的比較一覽。

　　動(dòng)作特征

　　如圖1所示新型LED燈專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路是由下列單元構(gòu)成，分別是：電源單元、定電流電路單元、定電流電路單元、LED燈單元。電源單元如上所述，首先將AC100V作全波整流，接著進(jìn)行平順化就能獲得DC140V，不過(guò)考慮AC100V±10V的變動(dòng)，因此實(shí)際上會(huì)變成DC140V±10V。接著介紹：定電流電路的動(dòng)作原理、突發(fā)電流抑制電路的動(dòng)作原理、電源效率、啟動(dòng)時(shí)間。

　　定電流電路的動(dòng)作原理

　　圖7的定電流電路是圖1中LED穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的定電流電路單元實(shí)際電路圖，本電路使用齊納二極管制作定電壓，接著將定電壓施加至FET的VGS使定電流流動(dòng)。此外本電路還利用定電流二極管，提供