升壓PFC助陣 HVHB LED發光效率提升
各國正持續減少使用白熾燈，各大公司也意識到改用替代照明方法可達到節能效果，因此對低成本、低環境影響的照明解決方案需求，比以往加強烈，其中，發光二極體(LED)和節能螢光燈(CFL)是主要的選擇。
上述兩種替代照明方法具有顯著的差異，不過都是可行的作法。CFL照明的主要缺點是啟動時間較長，調光效能較低，但是成本低於LED解決方案；而LED具有快速啟動(Snap-on)特性，且調光效能較佳，但因成本較高，所以普及度並不高。因此，LED供應商為降低系統複雜度和成本，不斷推出新的LED驅動器元件，並提升高亮度LED發光效率(Luminous Efficiency)，以調節所需的LED數量。
高電壓啟動電流 HVHB LED壽命大增
創新的高電壓和高亮度(High-Voltage and High-Brightness, HVHB)LED需較高的電壓啟動電流，來進行發光；這類新型LED有許多新的挑戰，不過也帶來許多新的契機。一開始為直接透過交流電(AC)線路自行驅動而設計，但是由於低效率、低功率因數和無法調光等因素，使得應用數量受限。
從圖1可以看出直接透過AC線路驅動這些LED存在許多問題。為滿足整個電壓範圍(90135Vac或207253Vac)，正向電壓降幅(Vf)必須達到最低AC電壓以下。這表示電壓達到幅度上限時，電流限制電阻的電壓會下降，即產生損耗，導致效率大幅降低，而且也會發熱，造成LED的使用壽命縮短。
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| 圖1 無驅動器HVHB LED特性 |
由圖1所示的啟動時間可看出，由於LED只有在達到或超出Vf時才會導通，只有峰值電壓用於發光，而總AC時間百分比相當小，功率因數遠低於美國、歐洲和印度規定的額定值，因此不適合這些國家的住宅和商業照明應用。這表示如果要滿足這些LED的峰值功率需求，電力公司須提供超出運作所需的電量，大多數調光器(TRIAC或電子裝置)都是透過提供燈光的AC波形限幅處理，只有在燈光導通的短暫時間內進行調光，也就是說，在90%的調光範圍內，燈光可全部開啟或關閉。
綜上所述，相較於同系列的低電壓版本，HVHB LED具備許多優點。就驅動器的角度而言，只要透過升壓功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)電源，就可直接驅動LED(圖2)。這種拓撲可透過將電流消耗與AC電壓波形相匹配，控制提供給負載的電量，達到較佳的功率因數(0.97以上)。使用這種PFC，很容易便可通過0.7或0.9的管理機構規定，在美國、歐洲和印度銷售商業和住宅照明燈具時，必須遵守這項規定。
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| 圖2 使用主動PFC裝置的簡單升壓設計 |
另一個提高輸入電壓的優點是獲得夠高的電壓，無論輸入電壓大小為何，皆可適用於電源設計，因此通用輸入LED燈(90253Vac)很容易就能實現。過去通用輸入能同時滿足120Vac和220Vac應用要求的設計，具有統一產品設計、統一製造和統一採購的優點，但設計須能處理高於110Vac運作所需的電壓，以及高於高電壓應用所需的較大電流，因此相較於針對每個電壓範圍的優化解決方案，這意味著提高整體材料成本和增加元件數。
高電壓也代表著指定輸出功率的低電流。例如使用四個串聯/並聯4瓦(W)LED，建立總Vf為380Vdc的16瓦LED光源，所需電流只有42毫安培(mA)。如此的低電流表示儲存電容較小，可使用長壽命低成本的陶瓷電容；而因不須使用電解電容，使用陶瓷電容可增加整體光源的壽命。一般的長壽的電解電容額定使用壽命為2萬小時，但在過熱情況下會急遽縮短，而LED的使用壽命長達5萬小時，在街道照明、高天井照明及其他環境高溫的照明等應用中，這是一大進步。
就效率而言，開關模式LED驅動器的主要損耗因素是LED：開關電源IC、驅動單結型場效應電晶體(FET)和整流器。讓開關頻率維持在一個合理的頻率(例如150KHz)，可將FET的開關損耗降至最低，而且整流器中的低電流代表低功耗，90%以上的效率不難達到，只不過整個VIN範圍稍有不同。
善用PFC三方法 驅動LED更有效
善用PFC三方法 驅動LED更有效
可達到功率因數校正的幾個方法，首先是主動法，利用具有內建演算法的IC，讓電流消耗與輸入電壓相匹配；其次是填谷法，需路由二極體和儲存電容，在AC輸入處於轉換階段時提供電流；第三是自然法，一般為間斷運作返馳配置的交換式電源供應器(SMPS)。
填谷法需低壽命的電解，因此會限制驅動器的壽命；返馳運作需要變壓器，故成本會增加，且透過變壓器的磁通損耗會造成較多的電磁干擾(EMI)輻射，以及透過間斷運作引起的高電壓和峰值電流，等於VIN+VOUT的反射電壓的傳導。
另一方面，使用相同方法驅動低電壓LED，首先必須升高PFC的輸入電壓，然後將該電壓降至LED燈串的Vf降幅，這會增加驅動器的複雜度和成本，通常須增加整個功率級，才能將高PFC電壓轉換為LED電流。
低電壓LED另一種更常見的驅動方法，是在間斷模式下運作的返馳式拓撲中使用電源供應(圖3)。變壓器的匝數比有助於橋接VIN與Vf之間的差動電壓。但返馳式拓撲的缺點是複雜度及相關成本提高，無法接受通用AC輸入、高EMI通導係數，以及由反射電壓和變壓器磁通損耗引起的輻射。
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| 圖3 採用低電壓變壓器LED驅動器 |
此外，在沒有大量電容的情況下進行設計會更加困難。高電壓大量電容一般為電解電容，尤其在高熱環境下壽命有限，較低的電壓會形成較高的電流，使得溫度升高，電源路徑元件尺寸增大，同時限制所選LED的輸出。
調光負載電流充足 TRIAC失敗率降低
LED照明的重要特性是使用現有調光解決方案進行調光，主要是採用TRIAC。在整個TRIAC範圍進行調光的能力，正是適當驅動LED和不當驅動或自行驅動LED之間的差別，CFL亦是如此，必須避免閃爍(即TRIAC運作失敗)，並提供足夠的調光負載，以讓調光器維持在導通模式。若想要降低60Hz波形對於LED驅動電壓所造成的影響，並限制傳導EMI傳回輸入波形，必須針對AC線路進行濾波處理。
在TRIAC調光和將調光結果轉換為等效電壓或電流期間，將AC訊號解碼(Signature Decoding)，然後直接插入到電源中，或轉換為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulated, PWM)訊號根據調光百分比調整LED通導時間，即可進行調光。
進行調光有許多須權衡的折衷之處。在驅動器回授路徑中輸入類比電壓或電流是最低成本的方法，而且須增加的電路最少；不過，其中也有一些缺點，其一是PWM SMPS的迴路穩定性較差，在電壓暫態期間會出現振盪或振鈴(Ringing)，這種現象造成LED光線輸出閃爍；其二是類比調光減少LED的電流，引起調光範圍的色彩改變，例如全電流下的藍白色LED，在低電流時可能會變得更像黃白色。
利用數位調光如PWM，可透過並聯FET使其出現「短路」來開關LED燈串，也可透過將FET與電流偵測電阻並聯，使LED燈串與接地斷開；使用這種方法，電流流經LED時便可保持恆定，但是點亮一段時間後會變暗，這種作法的優點是色彩在整個調光範圍內不會發生變化。
總之，以PFC升壓配置驅動時，HVHB LED具有小尺寸、高PFC、高效率、低成本和低複雜度的優點，比現今市售的CFL照明解決方案更具競爭力。
