新電子高亮度LED照明系統電源設計研討會特別報導

提高照明系統發光效能/壽命 LED驅動器責無旁貸

作者: 林苑晴 / 王智弘 / 蕭如涵
2008 年 11 月 28 日

照明應用不僅是發光二極體(LED)終極的應用市場,更是相關業者搶進綠色商機不容忽略的布局重點,尤其在2008年北京奧運的推波助瀾下,更讓LED照明應用的發展邁入新的里程碑。根據市場研究機構Strategies Unlimited最新報告指出,2007年全球照明用高亮度LED市場產值高達3億3,700萬美元,較2006年2億500萬美元,成長將近兩倍;其中,白光LED比重已高達48%,預估未來在一般照明市場將有更大的成長空間。



相較於LED其他應用,LED照明系統的電源轉換及驅動電路設計更為複雜,包括如何慎選驅動電路拓撲架構、確保LED陣列具備更精準的定電流(Constant Current)控制、避免LED順向壓降(Vf)隨額定電流及溫度而改變、降低電磁干擾(EMI),以及滿足小型封裝等要求,均是提高LED照明系統發光效率和使用壽命的關鍵要素。
 



LED電源管理不容忽視
 




圖1 點晶科技執行長金際遠表示,「No Driver, No Functionality」,設計人員須審慎考量LED系統的驅動器設計。



隨著環保意識的提升、節能風潮的盛行,以及2008年北京奧運超過三百萬顆LED燈所打造的開幕儀式壯舉,LED再度吸引世人眼光。早期LED大多使用於看板用途,而今LED則快速朝向照明應用市場發展,主要原因在於LED所生產的物質沒有毒性且以晶圓生產,加上產業鏈完整,因而深具發展潛力。
 



點晶科技執行長金際遠(圖1)表示,LED雖不是最省電、最有效率的選擇,但其材料卻最容易取得,且在相關業者大舉投入LED的發展後,更進一步促使LED發光材料與製程快速進步,讓LED產業蓬勃發展,生產上亦不虞匱乏。
 



LED基本原理是使用紅綠藍(RGB)三原色,刺激人眼細胞,反應不同神經,以感受不同的顏色。金際遠指出,為獲得良好的LED彩色顯示效果,均勻的定電流控制至為關鍵,亮度與電流成正比,不同的電流大小將決定光的亮度,這也突顯了LED電源管理的重要性。
 



穩定電流為LED設計首要考量
 



在點陣式顯示系統中是利用時間的切換,讓LED在不同時序中產生不同的顏色與亮度。金際遠解釋,囿於LED的生產方式,每顆LED的良率與特性均不盡相同,其所需要的驅動要求亦有所不同,因此須透過電流的調整才能讓每顆LED的亮度一致,並將誤差由原本±6%降至±1%。在此情況下,LED必須克服重重障礙,如處理均勻的定電流問題,或是校正LED老化導致的顏色偏差。
 



另一方面,以裝飾照明系統來看,穩定電流成為主要克服挑戰,而時間與資料可否正確傳遞,關係到訊號是否衰減,訊號衰減會導致顏色偏差,最後則是同步訊號問題。由上述兩種LED應用系統不難發現,能否均勻提供穩定電流,已成為LED穩定運作的重要因素。
 




圖2 點晶科技於會場所展示的LED照明應用方案吸引學員上前詢問



此外,在LED背光應用中,設計人員多半希望以一顆驅動器驅動所有LED,因而容易發生電壓過高的狀況,為解決此一問題,應用分壓來轉換效率便是重點。若Vf變高,LED便無法發亮,然而Vf變低,電壓便會轉到驅動器上,造成溫度過高,不僅驅動器必須承受過高的電壓,LED也會因為溫度過熱而燒毀,進而使得一整串LED無法運作。
 



金際遠強調,驅動器是LED功能得以發揮的重要推手,因此除了穩定電流為首要考量,也必須體認電源供應與管理的重要性。電壓分壓與效率轉換是LED應用上的最大挑戰,而將電感與電容整合至同一晶片上,也是將來LED技術上的重要發展趨勢(圖2)。
 



LED照明系統電源效率大幅躍進
 




圖3 包爾英特產品行銷經理Silvestro Fimiani表示,LED照明系統設計必須以串列式取代平行式,將有助達成在10瓦高輸出電壓驅動器下,提供高達90%的轉換效率。



為提高LED照明系統的發光效率和使用壽命,如何強化電源轉換效率並兼顧產品的尺寸與可靠性,將成為電源IC設計業者所面臨的重要課題。
 



包爾英特(Power Integrations)產品行銷經理Silvestro Fimiani(圖3)指出,依據美國政府主導的能源之星2.0對燈泡發光效率的規範,當輸入功率達6.27瓦時,電源轉換效率須達67%以上,才能讓燈泡壽命達3萬5,000小時,且每千瓦小時的成本達0.13美元,而總能源成本為28.5美元。然現階段市場上未能提出符合此標準的高電源轉換效率方案。
 



為能達成全球能源效率標準,包爾英特針對旗下的LinkSwitch系列開發出新一代產品LinkSwitch-Ⅱ,為針對返馳(Flyback)設計的電源轉換效率最佳化的解決方案。該系列免除光耦合器和二次側迴路補償電路,以及一次側定電流(CC)/定電壓(CV)控制電路,可完全屏除電流感應(Current Sense)的消耗,並簡化CC/CV轉換器的設計。此外,該該元件還能使變電壓和輸出二極體於高頻率運作時損耗最小化,藉此降低傳送的損失。700伏特金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)能採用高VOR設計,因此可使用更低電壓輸出二極體,降低二極體電源損耗達15%,並可將一次側電流最小化,減少MOSFET損耗。
 



而針對非隔離(Non-isolated)驅動器,包爾英特則選擇具備簡化設計與高轉換效率兩大優勢的抽頭線圈電感降壓(Tapped Inductor Buck)設計,適用於輸入/輸出比例高的非隔離驅動器應用。Fimiani說明,由於抽頭線圈電感降壓方案在電源轉換過程中,電流均方根值(Irms)較低,並採用低電壓蕭特基二極體(Schottky Diode),因此可減少導通時的損耗,甚至能提供比快速二極體(Ultrafast Diode)更低的導通損失。
 



由包爾英特所提出的設計範例報告DER-186中顯示,非隔離驅動器方案僅採用十五個外部元件,運作頻率達88kHz的設計可最小化電感(Inductor)尺寸,且700伏特MOSFET採用無箝位電路(Clampless),電源轉換效率高達81%。Fimiani提到,無箝位電路為最安全的操作設計,具有非常低電磁干擾(EMI)的優勢(圖4)。


資料來源:包爾英特
圖4 無箝位電路運作時的電磁干擾表現



相較於返馳設計,非隔離驅動器方案將EE 16變壓器取代為EE 10電感,使用無箝位電路可省去兩個電容、一個電阻和一個二極體的成本與空間,外部元件由二十七顆元件縮減為十五顆元件(圖5),並可降低輸入電容,轉換效率亦由76%提高至81%。


資料來源:包爾英特
圖5 左為採用Trapped-Buck設計的電源驅動方案,右為返馳式設計的方案。



Fimiani指出,高轉換效率的LED驅動器方案將有助於提高LED市場普及率,尤其包爾英特所開發的非隔離式驅動方案於4.2瓦燈源運作之下,每千瓦小時成本已可達0.13美元,以3萬5,000小時使用壽命計算,總共可節省約5美元的能源費用,對於終端用戶而言將更具吸引力。
 



調光/散熱/安全缺一不可
 




圖6 美國國家半導體產品應用經理丁勝軍強調,散熱管理與安全性考量是提升LED照明系統發光效能與壽命的兩大關鍵。



如前所述,LED驅動電路其實是一種電源轉換電路,但有別於其他電源設計所要求的定電壓輸出,LED驅動器則是以定電流輸出為設計的最高指導原則,換言之,電流愈穩定,發光效能愈佳,反之則否。
 



美國國家半導體產品應用經理丁勝軍(圖6)指出,LED驅動器必須在輸入電壓、溫度或順向壓降改變的情形下,維持定電流輸出,並將紋波電流(Ripple Current)控制在可接受的適當範圍。為達成此一要求,一般可利用限流電阻(Resistor Limiting)、線性定電流整流或交換式整流(Switching Regulation)三種方式來實現,其中,又以交換式整流設計所產生的發光效率最佳。
 



設計人員要為LED照明系統挑選合適的驅動器,首先須了解以交換式整流架構所開發的各式LED驅動IC。丁勝軍表示,降壓型(Buck)LED驅動器是以交換式整流為基礎所開發出的LED驅動器,結構相當簡單,具有良好定電流輸出特性,適合用於整體Vf低於最小輸入電壓(Vin)的情形,一般照明即為其最典型的應用。他進一步指出,降壓型LED驅動器可持續輸出電流,讓設計人員只須在一個位置感測電流,且外部電容的配置可有可無,端視設計人員的考量而定。
 



另一種升壓型(Boost)LED驅動器設計則適用於整體Vf高於最大輸入電壓的情形。由於其輸出電流為非連續狀態,因此必須搭外外部電容,通常用於LED背光或LED顯示板。不過,升壓型LED驅動器有幾個設計陷阱必須小心留意,首先是漏電流路徑(Leakage Current Path)的產生,也就是當主要切換開關已關閉時,輸入電壓到輸出電壓間仍會產生漏電流路徑,此時若輸出位置有任何負載,將大幅縮減電池壽命。此外,開路(Open Circuit)與短路(Short Circuit)的發生,亦會造成LED的失效。
 



第三種基於交換式整流所設計的驅動器為升降壓型(Buck-Boost)LED驅動器,在輸入電壓高於或低於輸出電壓時均可工作,典型應用是在汽車用LED照明市場、腳踏車車燈、採礦用頭燈、手電筒等。丁勝軍表示,升降壓型LED驅動器,雖可適用較大的電壓範圍,但由於其未在開關週期內並未將輸入電源直接連接到輸出,因此效率表現不如單純的升壓或降壓型驅動器。
 



單端初級電感轉換器(SEPIC)亦是另一種可做為LED驅動器的設計拓撲,具有連續性輸入電流的特性,且任何標準的低端整流器或控制器均可配置成SEPIC;但需要兩顆電感或一顆耦合電感,以及一顆輸出電容,設計人員可依實際需求選擇最適當的拓撲(表1)。









表1 升降壓拓撲的選擇考量
規格 \ 拓撲 典型/浮動升降壓 SEPIC
輸入電流 非連續性 連續性
輸出電流 非連續性 非連續性
電感需求 單顆電感 兩顆電感/耦合電容
額外電容 不需要 需要
電路複雜度 極低 N/A


資料來源:美國國家半導體
 



丁勝軍分析,非連續性輸入電流會造成EMI的問題,多半會使用輸入濾波器來抑制EMI,而非連續性的輸出電流則需要一顆外部電容,這將造成脈衝寬度調變(PWM)的調光(Dimming)控制變得更加困難並需要更多的電流感測點。至於典型/浮動升降壓拓撲則是最適合用於寬廣的輸入範圍,僅需一顆電感,與單純升壓或降壓型的元件數目相同。



除LED驅動器拓撲特性會影響設計時的選擇外,調光控制亦是不容忽略的考量標準。目前,LED驅動的調光控制方式可分為類比調光與PWM調光,其中類比調光是藉由調整LED的感測電壓來改變電流,達到調光目的,雖然不會造成額外雜訊問題,但LED會隨著順向電流改變而產生色偏現象。
 



至於PWM調光則以人眼無法感受的開關速度來改變LED順向電流導通時間,達到亮度調整效果。丁勝軍強調,這種技術可兼顧LED色彩與調光目的,因而廣為業者採用。不過,PWM調光會產生雜訊問題,必須慎審處理濾波設計,以因應暫態電流突然過高的情形。
 



另一個LED照明系統成功設計的關鍵,在於散熱與可靠性的掌控。丁勝軍指出,LED的使用壽命與其工作時的接面溫度(Junction Temperature)和驅動電流息息相關,因此散熱管理是所有高亮度LED照明應用設計的最大課題,對於發光亮度的提升亦相當關鍵。


點圖放大
圖7 共陽極模組設計基本架構



為有效控制溫度並做好散熱設計,溫度回饋(Temperature Feedback)與共陽極(Common Anode)模組設計(圖7)已逐漸受到重視。前者除可提高系統可靠度與LED使用壽命外,當散熱系統效能不彰時,亦可維持最大的發光亮度;後者是讓LED陽極直接附著在銅基板上,而未使用任何絕緣層,以提升最大的散熱效率。
 


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