把握3P原則 選出最適合LED驅動器

"

陳芃羽(Newman Chen),產品經理,
聯寶電子股份有限公司(LinkCom USA)

 

近年來科技的進步，已為LED帶來優秀的輸出流明及可信賴的操作。儘管所有LED燈具隨著燈具設計的複雜度以及燈具尺寸而有所不同，但無論如何所有LED燈具都有一個基本元素—直流電電源。事實上，在許多案例中，LED 燈具設計的過程裡，最容易被忽視的部份便是電源驅動器。簡而言之，選擇具備高品質零件和嚴謹設計的LED驅動器便能延續整個燈具的使用壽命及保固。

當我們在閱讀供應商LED驅動器型錄時，供應商LED驅動器型錄裡充斥著許多不同規格的LED驅動器供我們選擇。這篇文章將會透過幾個關鍵點協助您在特定燈具上找到對的驅動器，我們將會透過3P 法則－電源(Power) ,解決方案(Package) ,性能(Performance) 選出最適合您燈具的驅動器。

 

電源Power

對於每盞LED燈具來說，您需先決定所需的總功率及最佳驅動方案－定電流(CC) 或定電壓(CV)。在得到順向電流以及順向壓降數據後，透過運算得出順向壓降及順向電流的乘積以得到確切的電功率，依據所得之電功率數值選擇相符的LED驅動器。

順向電壓(Forward Voltage)

順向壓降會受到以下這兩個因素影響－LED個數和LED排列方式。下圖一為常見3種LED線路配置方式:串聯、並聯以及串並聯。

圖一:一般常見LED線路配置

 

LED燈矩陣的順向電流數值是取決於線路上每一顆LED壓降的總和。當電壓經過每顆LED時，壓降的範圍大約在1.8~3.3伏特間，若燈具上採用藍光LED時，壓降的數值會最接近此範圍的最大值。計算出的總伏特數等於整條串聯線上的數值。

 

順向電流(Forward Current)

當設計燈具時，期望的流明輸出數值是必考量的元素之一，在LED製造廠的規格書中均詳細地提供輸出流明數據及電流。 

 

電力供給架構(Power Supply Configuration)

定電壓(CV)－ 當一間燈具廠同時設計多種LED照明線路時，便會選擇定電壓模式驅動器，以便將驅動器的庫存降到最低。另外需注意輸出電壓是否充足，以免無法滿足其所需的最大順向電壓。基於電壓是固定的，在此會建議每條LED線路上加上一顆限流器(見圖二)。雖然定電壓驅動器能夠滿足不同的線路設計需求卻無法滿足最適效率。

圖二：在使用定電壓的驅動器時，建議每條LED線路上加上一顆限流器。
 

若希望整個裝置能夠達到最適效率，最好採用能提供較小電壓輸出範圍和電流的定電流驅動器。定電流驅動器在設計上通常已包含一個電壓限制電路。

 

解決方案Package

翻開型錄可以看到許多搭配不同方案的驅動器，像是不同系統配置和狀態。應用上舉凡建築照明、都市照明、工業照明、商場照明、零售商展示燈具和住家燈飾。

 

系統配置(System Configuration)

首先，我們得先問一個最基本的問題－這個LED驅動器是應用在由多個裝置所組成的單一燈具上嗎? 若是的話，通常會採用高功率驅動器，此種高功率驅動器具有專用散熱片，且不會設計於照明設備內。

相反的， 若是驅動器設計在獨立裝置中，在進行整體設計時便需要將驅動器擺放位置一併考量進去。舉例來說，若想將一般吸頂日光燈管換成槽型燈，最佳的方案是選用細長型驅動器來搭配；若使用的燈具為軌道燈，則小方型的驅動器才是較為適宜的選擇。

 

設備位置System Location

無論何種LED燈具中都會搭配LED驅動器，因此LED驅動器必須能適用於不同環境下，無論從室內的壁燈到會受限於濕度極具挑戰性的裝置(冰箱) ，甚至是設於戶外場所須克服劇烈溫差變化或高濕氣的設備 (如：戶外裝置/天井燈)。LED驅動器都必須能克服各種不同環境因子並正常運作提供LED燈具穩定電源。

 戶外裝置所設計LED驅動器，通常會進行防水防塵認證(IP)，不同等級的認證所能承受防水與防塵的保護等級不同。異物防護等級(IP Rating圖三)是國際公認的標準(IEC 國際標準 EN 60529 ,英國BS EN 60529:1992, 歐洲 IEC 60509:1989)，被應用在許多日常設備中，例如：消費型電力/電子產品。

圖三：LED驅動器異物防護等級/戶外使用驅動器通常進行IP64以上的認證，所需認證IP等級取決於放置於何種燈具中。

當LED驅動器置於景觀燈和其他室外裝置時，浸泡於水中的機率很高，因此這類的LED驅動器必須擁有IP-67等級的認證，至於其他暴露在會碰水環境中，但不至於淹沒整個驅動器的情況下(如：應用於廣告看板中)，取得IP-64等級的認證就已經足夠。

 在選擇戶外用的LED 驅動器時，除了需要注意泡水及塵土問題外，也需要考量是否置於極度高溫或低溫環境裡，由於通常我們並無法預測驅動器被使用在何種環境下，所以挑選驅動器時，建議挑選工作溫度範圍較廣者。

無論在室外或室內，選擇驅動器時還須考慮濕度(冷凝)問題。為防範濕度問題，通常將驅動器灌滿膠。

對於室內設備，我們要關切的重點包含溫度與濕度兩者。不單只是驅動器而是整個燈具必須能克服所有突發狀況。舉例說明如商場上用於冷藏庫中照明裝置，這個環境下相對濕度將近90%，在完全密封的燈具中，燈具內部環境溫度輕易的就能達到60°C。

 

性能Performance

選擇正確LED 驅動器解決方案對於LED驅動器性能會有顯著的影響。以下是關於性能所需要考量的幾個重點。

 

操作性能Operational performance

調節(Regulation)： LED電源供應器的調節效能若不佳，在LED燈上能明顯看出效果差異。一個高品質LED驅動器輸出調節上通常至少能夠提供 ±5%以上。

功率因子(Power Factor):大部分LED 驅動器設計是建立於開關電源的拓樸學之上，若設計不妥，可能導致交流電源諧波失真。因此EN61000-3-2 要求LED電源供應器的功率因子必須要大於0.9。

漣波/閃爍(Ripple / Flicker): 一般LED燈中，電源輸出漣波低於30%所造成的影響，人眼是察覺不出異狀，但若是透過裝置觀看閃爍狀況時，漣波數值必須要低於3%，否則便能夠經由裝置螢幕上看見閃爍的波紋。

表一 . 一階設計與二階設計性能比較表

 

線路保護Circuit Protection

高品質LED驅動器通常都會有過電壓、過電流、過溫的短路保護。此外，品質最好的裝置還能提供電壓浪湧以及瞬變的保護。

 

機構認證Agency Certifications

所有LED驅動器都會經由以下幾個單位認證，取得安全規範相關證書，包含UL和(或) CSA, FCC 或具有相同效力的 EMI/RFI認證。依據不同國家需要申請的認證亦有所不同，在美國採用UL的認證，在日本則是PSE，若是於歐洲則需要申請TUV。UL目前已經推出一系列認證項目以促進驅動器於燈具間可替換性，像是Type TL、Type HL以及Class P。

 

性能提升Performance Enhancements

LED照明設備比起其他替代光源所需電力明顯減少許多，雖說使用的電力較少，但仍然具備控制輸出光源的功能。最常見使用方式為調光以及傳感器。

調光(Dimming): LED 調光涉及到驅動器輸出以及輸入端的控制。在輸入端，三端雙向可控矽(Triac)跟直流電控制為較常見兩種調控模式，在輸出端，則以類比輸出以及脈衝寬度調變(PWM)為較常使用的技術。

舉例：在現有電路中，白熾燈裝置以LED燈具取代，進行改裝，便會採用Triac 的方式進行調光，不然亦可採用直流電控制，輸入線性10伏特做為訊號源進行調光控制。

輸出端的類比控制能夠在調光區間內調整定電流驅動器的輸出。採用1-10伏特當作控制訊號源，通常最低控制能夠提供1~10%。

目前一些調光輸出能接近到全域調光，但是實際上在8%時候便已經達到極限值。使用定電壓的驅動器時，PWM對調光也能控制在相同區間內。

傳感器(Occupancy sensing): 在California Title 24的規定中，許多商用裝置需裝上傳感器，其他單位也陸續新增這樣規範。這項功能正被整併進最新推出的LED 驅動器版本中。有些是附加上輔助電源來提供這些感測器所需的電力，另外也有部份的設計方式是將其整合在大樓中統一系統中進行控管，更有些驅動器備有無線控制的設計。

 

重點提醒

LED驅動器選項的激增，使得評估LED驅動器供應商變得更加重要，就像任何應用裝置首要工作是評估電源供應的可靠性一樣。在工程設計階段，高可靠度驅動器會遵循嚴謹的設計原則，所以應該特別注意產品的散熱設計、電器性能以及效率，經由這幾個項目來考量其可靠度。

 依據以上3P(電力Power, 解決方案Package, 性能Performance)原則，選定了符合您裝置的驅動器後，請務必記得對驅動器進行所有必要的測試。舉凡設計驗證測試、試產驗證測試、環境測試－極端溫度下使用持久性、濕度測試以及機構測試(包含耐震、耐壓與掉落測試)以確認能承受在運送過程中所可能遭受損害。驅動器還應該進行批量生產、生產可靠度測試(ORT)、加速壽命測試(ALT) 、破壞性物理分析(DPA)以及壽命均值分析(MTBF)。