隨著LED發(fā)光效率的提升，固態(tài)照明發(fā)展也更趨蓬勃。為使LED固態(tài)照明更具成本效益，業(yè)者除要設(shè)法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量，并整合光、機(jī)、電、熱等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)外，亦須采用具高效率、低成本的固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)器，以打造最佳解決方案。
 
　　過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進(jìn)展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟(jì)效益，使得LED制造商會(huì)特別關(guān)注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學(xué)、LED和電子學(xué)設(shè)計(jì)專門知識(shí)，以建立最佳的解決方案。

　　電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對(duì)直流(AC-DC)和直流對(duì)直流(DC-DC)電壓管理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)已有30年的經(jīng)驗(yàn)。雖然固態(tài)照明光源設(shè)計(jì)和電壓管理應(yīng)用不同，但技術(shù)學(xué)習(xí)和電力電子制造專家們都已準(zhǔn)備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)湟恢痹诟牧寄壳半妷旱恼{(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動(dòng)器各有特別的需求，激勵(lì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對(duì)固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。  

　　固態(tài)照明主要和次要的光學(xué)系統(tǒng)，是須要進(jìn)行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學(xué)組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進(jìn)。  

　　減少LED數(shù)量以降低成本 

　　為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。

　　隨著LED發(fā)光效率的提升，固態(tài)照明發(fā)展也更趨蓬勃。為使LED固態(tài)照明更具成本效益，業(yè)者除要設(shè)法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量，并整合光、機(jī)、電、熱等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)外，亦須采用具高效率、低成本的固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)器，以打造最佳解決方案。
 
　　過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進(jìn)展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟(jì)效益，使得LED制造商會(huì)特別關(guān)注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學(xué)、LED和電子學(xué)設(shè)計(jì)專門知識(shí)，以建立最佳的解決方案。

　　電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對(duì)直流(AC-DC)和直流對(duì)直流(DC-DC)電壓管理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)已有30年的經(jīng)驗(yàn)。雖然固態(tài)照明光源設(shè)計(jì)和電壓管理應(yīng)用不同，但技術(shù)學(xué)習(xí)和電力電子制造專家們都已準(zhǔn)備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)湟恢痹诟牧寄壳半妷旱恼{(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動(dòng)器各有特別的需求，激勵(lì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對(duì)固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。  

　　固態(tài)照明主要和次要的光學(xué)系統(tǒng)，是須要進(jìn)行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學(xué)組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進(jìn)。  

　　減少LED數(shù)量以降低成本 

　　為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。

   　　能源之星認(rèn)證影響很大

　　美國政府推出“能源之星”的認(rèn)證標(biāo)章，旨在保護(hù)消費(fèi)者并確保發(fā)行到市場上照明產(chǎn)品的質(zhì)量。能源之星的基本要求就是終端產(chǎn)品須達(dá)到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設(shè)計(jì)要求流明/瓦的范圍在每瓦40～50流明之間。有能源之星認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室可透過產(chǎn)品終端應(yīng)用之標(biāo)準(zhǔn)化程序指針，測試制造商提交的產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室會(huì)檢測流明且記錄輸入功率，可了解產(chǎn)品能否達(dá)到能源之星的要求。  
為期盼固態(tài)照明能獲大眾采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的進(jìn)步。其中，光學(xué)業(yè)界把流明損耗最小化，同時(shí)提高產(chǎn)品的光學(xué)功能；至于電力電子和IC制造商則一直進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的優(yōu)化，共同致力于固態(tài)照明發(fā)展。  

 　　照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 

　　隨著照明制造商慢慢減少系統(tǒng)所需的LED數(shù)量，所面臨的問題也正逐漸浮現(xiàn)。雖然減少LED數(shù)量曾經(jīng)對(duì)銷售有幫助，但卻也帶給業(yè)界一個(gè)無法預(yù)見的技術(shù)挑戰(zhàn)。此問題是在A19/E27改良型燈泡上市后，才第一次被各界所注意到。  

　　假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)里L(fēng)ED數(shù)量減少和LED的流明輸出增加時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器的效率就會(huì)提高，或者至少跟過去的設(shè)計(jì)類似，然而，卻無法實(shí)現(xiàn)，到底是哪里出問題呢？以下將藉由其規(guī)格要求的趨勢演進(jìn)進(jìn)行說明。  

　　電路功率損耗增加　系統(tǒng)穩(wěn)定性成隱憂 

　　60瓦固態(tài)照明白熾燈改良型燈泡要求包括，115VAC(±20%)的輸入電壓、十個(gè)LED串聯(lián) (31～36伏特)的輸出電壓、800流明輸出、350毫安(mA)LED順向電流、12.6瓦最大輸出功率、 目標(biāo)功率85%、美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)等級(jí)B、符合UL8750、壽命大于5萬小時(shí)和系統(tǒng)工作溫度50℃。  

　　而現(xiàn)今的趨勢是增加LED順向電流，即更高功率，并減少系統(tǒng)內(nèi)的LED數(shù)量。期望的規(guī)格改變包括五個(gè)LED串聯(lián)(15～17伏特)輸出電壓、700毫安LED順向電流、800流明輸出、11.9瓦最大輸出功率及目標(biāo)效率85%。  

　　雖然輸出功率降低且效率參數(shù)維持在85%，但仍希望每瓦流明量能更大。而現(xiàn)實(shí)中，轉(zhuǎn)換器效率下降非常大，導(dǎo)致每瓦的流明減少，所以須要更為注意的是電路內(nèi)功率損耗已增加，這帶來一些設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性方面的問題，不僅造成能否符合能源之星認(rèn)證的疑慮，由于還須要附加散熱片或包裝材料，因此成本也將隨之增加。  

　　功率損耗隨組件/系統(tǒng)規(guī)格變化 

　　能量轉(zhuǎn)換階段內(nèi)的損耗可以包括傳導(dǎo)、切換與靜態(tài)損耗三類。LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的所有硅裝置和被動(dòng)組件都有電阻，電流通過電阻傳導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生IRMS2×R的功率損耗。選用不同質(zhì)量和類型的組件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)、二極管及電磁組件，產(chǎn)生的耗損將隨系統(tǒng)規(guī)格不同而變化。  

　　切換損耗發(fā)生在當(dāng)MOSFET或二極管被開啟，其他的MOSFET或二極管卻被關(guān)閉的過渡時(shí)期。由于一個(gè)轉(zhuǎn)換器在200kHz頻率下工作比在100kHz時(shí)的切換損耗多一倍，所以須要評(píng)估對(duì)操作切換頻率間的折衷方案。在較高頻率的切換所允許的電感系數(shù)比較低，而在特定的規(guī)格下傳導(dǎo)損耗可能也會(huì)較低(較低的RDCR)。此外，靜態(tài)功率損耗和內(nèi)部電路的功率也有所關(guān)系。  

　　總體來說，類似的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，也許可以得到一樣的輸出功率(Pout=Iled×Vled-stack)，但這取決于系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓以及組件類型；系統(tǒng)的效率也會(huì)有很大的不同。  

　　圖1為典型的脫機(jī)式(AC to Iled)改良型固態(tài)照明燈泡電路，其中，各條件的定義及驅(qū)動(dòng)器功率耗損計(jì)算方式，描述如下： 

圖1 關(guān)閉線路(AC至ILED)的改良型固態(tài)照明燈泡優(yōu)化電路圖

D=負(fù)載-周期= 
 
 

D''''''''=(1-D)
FSW=切換頻率

Q4啟動(dòng)時(shí)的切換損耗→

Q4傳導(dǎo)損耗→

D4傳導(dǎo)損耗是→

L3電感器傳導(dǎo)損耗→ 

 
現(xiàn)在所有主要功率損耗都已計(jì)算出來，可計(jì)算出系統(tǒng)總效率?？捎靡韵路匠淌奖硎荆?nbsp;  
 
  

　　看到功率損耗方程式后，可對(duì)固態(tài)照明應(yīng)用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設(shè)，透過降低LED數(shù)量并增加系統(tǒng)電流，流明輸出就可符合規(guī)格要求，但效率可能會(huì)降低。因此，應(yīng)該要進(jìn)行詳細(xì)的分析以充分理解設(shè)計(jì)的折衷和功率損耗，但須分析幾點(diǎn)因素，找出系統(tǒng)效率降低的原因。首先包括電感器L3的傳導(dǎo)損耗會(huì)隨著LED順向電流的增加而增加；其次，如果LED順向電流增加，飛輪二極管的切換損耗也會(huì)增加；第三，相對(duì)于MOSFET開啟時(shí)，在飛輪二極管D4傳導(dǎo)時(shí)，其經(jīng)由減少堆棧電壓就可增加時(shí)間比例，高壓(HV)二極管比在MOSFET傳導(dǎo)損耗更大，因此，系統(tǒng)中的電力損耗會(huì)增加；第四，在增加LED電流的情況下，主開關(guān)MOSFET Q4上的傳導(dǎo)損耗會(huì)增加。  

　　規(guī)格、成本還有功能皆是達(dá)到成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而這些都須從系統(tǒng)層級(jí)來因應(yīng)。業(yè)界正研發(fā)兼具功率和成本效益的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，包括LED堆棧電壓(和輸入電壓關(guān)系極小的設(shè)計(jì))。因此，固態(tài)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展已出現(xiàn)明確的方向。  

　　已有業(yè)者分析過很多實(shí)驗(yàn)室里不同驅(qū)動(dòng)的配置后，得知較高的順向電流、較少的LED數(shù)量導(dǎo)致客戶在申請(qǐng)能源之星認(rèn)證標(biāo)章時(shí)，增加很多的困難。LED制造商知道只關(guān)心單顆LED效率是片面且不夠的，必須了解LED在市場上如何被使用，從而配置好LED來協(xié)助達(dá)到具體固態(tài)照明解決方案的優(yōu)化才是上策。而用在改良型A19/PAR燈泡上的LED，與應(yīng)用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭，經(jīng)由和不同領(lǐng)域的專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作，LED制造商已為終端應(yīng)用開發(fā)出一些特定的LED。

  　　從系統(tǒng)層級(jí)考慮設(shè)計(jì)　LED應(yīng)用效能大躍進(jìn) 

　　LED制造商已開始開發(fā)LED應(yīng)用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進(jìn)行重新配置，此專用LED的優(yōu)點(diǎn)已在改良型燈泡應(yīng)用中得到認(rèn)可。 
 
　　原來的MX-6 LED在一個(gè)模塊里有六個(gè)平行的LED燈源，每個(gè)LED都產(chǎn)生150毫安，總電流高達(dá)1,000毫安，此LED的順向電壓為3.2～3.6伏特。  

　　而MX-6S LED內(nèi)的兩個(gè)封裝LED是串聯(lián)在一起的。這串組的順向電流高達(dá)115毫安，一個(gè)MX-6S封裝LED的順向電壓是在19～22伏特。此封裝內(nèi)的簡化LED配置如圖2所示。 

  
 
圖2 MX-6與MX-6S的LED配置圖

　　MX-6和MX-6S的LED是一樣的，設(shè)備的外殼也是相同。這兩個(gè)LED的唯一區(qū)別是其內(nèi)部焊接架構(gòu)不同。這個(gè)單變項(xiàng)允許對(duì)A19固態(tài)照明燈泡應(yīng)用中LED堆棧電壓與普通的LED驅(qū)動(dòng)進(jìn)行非常好的效能分析。  

　　MX-6/MX-6S比較分析  

　　在對(duì)LED堆棧電壓和電流間的分析有幾個(gè)目的和標(biāo)準(zhǔn)，包括用不同的LED配置，以在一個(gè)固態(tài)照明改良型燈上，進(jìn)行普通LED驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化；記錄功率損耗及關(guān)鍵組件溫度；在比較此設(shè)計(jì)和其他設(shè)計(jì)時(shí)，記錄所有的成本優(yōu)勢；用效能、實(shí)際成本、產(chǎn)能這些衡量指針做參考，建立驅(qū)動(dòng)器和LED配置建議等目的與標(biāo)準(zhǔn)。  

　　因此，只須用一套便宜的光流量測試系統(tǒng)，就可在兩個(gè)設(shè)計(jì)中調(diào)整LED電流，以獲得一個(gè)特定的照明輸出。進(jìn)而比較產(chǎn)品的相關(guān)功能，藉此可考慮由溫度造成的流明損耗及其實(shí)際系統(tǒng)的變項(xiàng)。此外，所有的變項(xiàng)都要小心控制，把誤差最小化，如使用的PAR燈、測量設(shè)備、機(jī)械設(shè)計(jì)、散熱器和熱平衡等。  

　　MX-6設(shè)計(jì)(圖3)為六組串聯(lián)MX-6 LED，每個(gè)LED是133流明/瓦，電流是600毫安。表1則為MX-6的規(guī)格說明。   

 
圖3 MX-6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

 　　MX-6S設(shè)計(jì)(圖4)為六個(gè)LED排成的3×2模塊，其總輸出電流是270毫安，每線路是90毫安，每個(gè)LED是～133流明/瓦，電流90毫安。表2為MX-6S的規(guī)格說明。   

 
圖4 MX-6S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

 　　熱能分析與系統(tǒng)可靠性不可忽視 

　　LED驅(qū)動(dòng)器固定在一個(gè)塑料外殼內(nèi)，再放進(jìn)一個(gè)普通的PAR38鋁制裝置內(nèi)。驅(qū)動(dòng)器和LED都是按照典型模式裝在一個(gè)PAR38改良型燈泡內(nèi)。MX6S的電流是600毫安，此設(shè)計(jì)一開始是六個(gè)串連的MX-6 LED排列配置。電解電容器、主開關(guān)場效應(yīng)晶體管(FET)、主整流器二極管和輸出電感會(huì)附上一個(gè)熱電偶(Thermocouples)。而MX-6S分析則使用相同的設(shè)置/燈泡，重新配置六個(gè)MX-6S LED。表3、4則分別為MX-6與MX-6S數(shù)據(jù)一覽。   

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可從這簡單的分析得到結(jié)論，其最須注意的是兩個(gè)設(shè)計(jì)中LED驅(qū)動(dòng)器重要組件的溫度差異。此設(shè)計(jì)實(shí)際成本并不高，但隨之而來的退貨對(duì)廠商而言就是災(zāi)難，因?yàn)橘|(zhì)量低劣對(duì)公司信譽(yù)會(huì)造成嚴(yán)重影響。若制造廠商決定使用一個(gè)特定的LED配置，隨后被要求用昂貴的驅(qū)動(dòng)電子組件來增加功率，或附加額外的散熱片，或包裝材料來確保系統(tǒng)組件符合正確的熱規(guī)格，那真正的成本可能就隨之而來。  

　　電解電容決定驅(qū)動(dòng)器壽命 

　　在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)壽命里，通常電解電容器才是決定因素。若在設(shè)計(jì)時(shí)就先注意的話，就可用電解電容器以增加5萬小時(shí)的固態(tài)照明應(yīng)用產(chǎn)品壽命。  

　　值得注意的是，每提高電解電容器10℃，就會(huì)造成其壽命減半。舉例來說，假設(shè)使用一個(gè)105℃，額定壽命1萬小時(shí)的電解電容器，預(yù)計(jì)可以獲得的溫度是85℃，電容器就可以正常維持4萬小時(shí)。如果同樣這個(gè)電容所處的工作溫度是95℃，則預(yù)期的壽命就會(huì)只有2萬小時(shí)，這是非常大的差異。要是使用在較為高壓堆棧的LED燈源，此應(yīng)用的差別還可能會(huì)加倍。  

　　高壓堆棧損耗會(huì)影響配置一個(gè)系統(tǒng)時(shí)使用LED數(shù)量的彈性。在實(shí)例中，把LED堆棧電壓控制在52伏特，只能使用兩個(gè)串聯(lián)的MX-6S LED，因此在如2×1、2×2與2×3等模塊里，會(huì)使用雙數(shù)的LED。而科銳和日亞化學(xué)(Nichia)提供類似MX-6S三個(gè)串聯(lián)的LED，也許能增加LED配置的可能性。