離線線性電流驅(qū)動(dòng)助陣 LED燈管兼顧成本與體積

電解電容是造成現(xiàn)今LED燈管驅(qū)動(dòng)電路壽命縮短及設(shè)計(jì)成本增加的元兇，因此LED驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)商皆致力研發(fā)毋須搭配電解電容的新方案。其中，離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器，由于沒(méi)有使用磁性元件且物料清單(BOM)數(shù)量較少，故有助打造兼顧體積及成本的LED燈管。

油電雙漲及核四議題的爭(zhēng)議下，節(jié)約能源已不再是掛在嘴邊的口號(hào)。家電產(chǎn)品為了獲得節(jié)能標(biāo)章，普遍使用變頻技術(shù)來(lái)提升效能，若使用具有變頻器的電冰箱或冷氣機(jī)，每月最高可省下約20%?40%電力，若換算成電費(fèi)則可省下一筆可觀的家庭開(kāi)銷(xiāo)。家電中除了電視和電冰箱幾乎天天使用外，照明更是每天不可或缺的必需品，所以照明系統(tǒng)的耗電量也是相當(dāng)可觀。

當(dāng)臺(tái)灣發(fā)光二極體(LED)照明滲透率達(dá)20%時(shí)，可節(jié)省電力消耗2.56%，約核一廠一個(gè)機(jī)組的發(fā)電量;當(dāng)滲透率達(dá)50%時(shí)，省下的電力已超過(guò)核四廠發(fā)電量的一半;滲透率100%時(shí)，則省下1.1座核四廠的發(fā)電量。使用高效能LED節(jié)能照明系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)為發(fā)光效率可達(dá)80流明瓦(lm/W)以上，已遠(yuǎn)高于白熾燈和省電燈泡。假如LED燈搭配上合適的LED驅(qū)動(dòng)器，其發(fā)光效率甚至可高達(dá)100lm/W。本文主要介紹使用高亮度LED搭配離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方針。

LED驅(qū)動(dòng)器在目前照明市場(chǎng)上可分為離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)器、切換式LED驅(qū)動(dòng)器及阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)器。這三種電路拓?fù)洌饕δ苁强刂屏鹘?jīng)LED電流，經(jīng)由不同的控制架構(gòu)產(chǎn)生一固定的電流值(Constant Current)，此固定的電流使LED激發(fā)出最佳的光通量，以下對(duì)上述三種LED驅(qū)動(dòng)電路做簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器成本低

圖1所示為離線式定電流LED驅(qū)動(dòng)電路，主要由橋式整流器、離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器DS6609及LED燈所組成。由于驅(qū)動(dòng)電路中只使用到幾顆電阻與陶瓷電容，并沒(méi)有使用到電解電容與磁性元件，因此不會(huì)有因?yàn)殡娊怆娙菔褂脡勖南拗?，而?dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路使用壽命降低的問(wèn)題，且可大幅縮減驅(qū)動(dòng)電路的體積與降低驅(qū)動(dòng)電路的成本。驅(qū)動(dòng)電路中，離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)器，其可用來(lái)驅(qū)動(dòng)由多顆LED燈串接在一起所組成的HV LED燈，依據(jù)不同的輸入電壓大小，來(lái)控制LED燈串。當(dāng)輸入電壓高于LED燈串的總順向電壓時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)始工作，以一定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈串，此控制方式不但使LED產(chǎn)生最佳流明值，也可以讓照明系統(tǒng)達(dá)到最佳化。

圖1 離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)電路

切換式LED驅(qū)動(dòng)電路由PWM控制

切換式LED驅(qū)動(dòng)器，是將返馳式(Flyback)或降壓式(Buck)轉(zhuǎn)換器經(jīng)由脈沖寬度調(diào)變(PWM)IC的控制，產(chǎn)生一穩(wěn)定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈串，如圖2所示即為切換式LED驅(qū)動(dòng)器以返馳式轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的電路架構(gòu)。

圖2 切換式LED驅(qū)動(dòng)電路

返馳式轉(zhuǎn)換器主要由橋式整流器、變壓器、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)、二極體、PWM控制晶片及數(shù)顆被動(dòng)元件所構(gòu)成，返馳式轉(zhuǎn)換器經(jīng)由PWM控制晶片，讓電路操作在臨界(Critical)或稱(chēng)為邊界導(dǎo)通模式(Boundary Conduction Mode)，使流經(jīng)LED燈串的電流ILED為一固定值(Constant Current)。

[@B]阻容電壓式驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定度差[@C] 阻容電壓式驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定度差

圖3所示為一阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)電路，主要由橋式整流器、電容、電阻、LED燈串和提供穩(wěn)壓的齊納二極體(Zener Diode)所構(gòu)成。假如電源電壓Vac遠(yuǎn)大于LED燈串的總順向電壓，且電容阻抗XC1遠(yuǎn)大于LED燈串的阻抗，則負(fù)載電流Iac可由電源電壓Vac和電容抗XC1決定，而且流經(jīng)LED燈串的電流即為負(fù)載電流Iac，于是負(fù)載電流Iac可以表示為：

圖3 阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)電路

其中電容阻抗為：

上式中f為市電頻率，C1為電容器容值。負(fù)載電流Iac經(jīng)由電容抗XC1來(lái)限制流經(jīng)LED燈串的電流，使阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)器達(dá)到定電流驅(qū)動(dòng)功能。

經(jīng)由上述的簡(jiǎn)介，在此對(duì)目前照明市場(chǎng)上較常使用的三種LED驅(qū)動(dòng)電路做特性比較。經(jīng)由表1得知，阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定度差，而切換式LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本高;相反地，離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)電路，在電路穩(wěn)定度、復(fù)雜度和成本上占了極大的優(yōu)勢(shì)。

離線式線性定電流LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用實(shí)例

過(guò)去LED節(jié)能照明系統(tǒng)不被大量推廣應(yīng)用，其主要原因是價(jià)格居高不下，所以本文將介紹一種低成本的離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器和LED燈搭配而成的一體化光電引擎，以及經(jīng)由塑料管組裝而成的T8 LED燈管設(shè)計(jì)實(shí)例。

一體化光電引擎是較新穎的LED照明設(shè)計(jì)方式，將LED燈、橋式整流器、被動(dòng)元件和離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器布局在鋁基板上，即成為一體化光電引擎照明產(chǎn)品。最后將一體化光電引擎電路板組裝進(jìn)塑料管，即完成T8 LED節(jié)能燈管。

離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器的基本應(yīng)用電路如圖1所示，此一驅(qū)動(dòng)器不須使用電解電容器、電感器和電磁干擾(EMI)濾波器，在成本和使用壽命上占有極大的優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)上相當(dāng)容易，只要設(shè)定Pin 6對(duì)接地腳(GND)的RSET電阻即可，其計(jì)算公式為：

假設(shè)RSET=75KΩ，所以流經(jīng)LED燈串上的峰值電流為42毫安培(mA)。

T8 LED節(jié)能燈管的輸入電壓和電流波形如圖4(a)110VAC、(b)220VAC所示，當(dāng)電流設(shè)定電阻RSET接上36kΩ電阻，離線式線性定電流控制器可準(zhǔn)確的控制流經(jīng)LED燈串上的峰值電流固定在87.5mA，而T8 LED燈管的發(fā)光效率可達(dá)80lm/W以上。[!--empirenews.page--]

圖4 T8燈管輸入電壓、電流波形

離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器在印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)非常容易，但仍須注意下面幾點(diǎn)：AC電源輸入端，須要注意L與N之間大于2毫米(mm)的安全距離;橋式整流器的高壓走線應(yīng)寬而短，與周邊線路保持2毫米的安全距離;背面的Exposed Pad須要與鋁基板大面積且緊密地焊接，以保證熱量的傳遞，達(dá)到最佳的散熱效果。

本文提出的高發(fā)光效率LED節(jié)能燈管的設(shè)計(jì)實(shí)例中，所使用的離線式線性定電流驅(qū)動(dòng)器，在實(shí)際應(yīng)用電路的搭配上并沒(méi)有使用到電解電容，因此不會(huì)因?yàn)殡娊怆娙菔褂脡勖南拗疲鴮?dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路使用壽命降低的問(wèn)題;此外，驅(qū)動(dòng)電路中亦沒(méi)有使用到磁性元件，只有使用到幾個(gè)電阻與陶瓷電容，因此驅(qū)動(dòng)電路本身具有體積小、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。