工程師分享：新型高功率LED驅動電路探索

　　逐漸取代傳統(tǒng)白熱燈泡與熒光燈的發(fā)光二極管(LED)，具備低污染、低消費電力、高發(fā)光效率、長壽命、無水銀成分等優(yōu)勢，它的發(fā)展動向已經(jīng)成為全球關注的焦點。最近幾年隨著LED發(fā)光效率甚至超越傳統(tǒng)熒光燈，一般認為未來提高照明燈具整體的綜合效率越來越重要，然而實際上不論是哪種型式的LED燈驅動電路，都會有10~20%左右的消費電力損失，因此改善電源的轉換效率，再度成為重要課題。

　　以往使用AC100V平順化后的DC140V電源方式，極容易發(fā)生突波電流。所謂「突波電流」突波電流是指開啟電源后，流入平順化電容器的巨大充電電流。具有平順化電容器、可以驅動復數(shù)個LED的驅動電路，點燈時可能會造成斷電器跳脫，此外電源切換器高溫融溶附著，以及對電路組件的過負載，都可能引發(fā)各種問題。雖然突波電流抑制電路已經(jīng)實用化，不過它的電源轉換效率卻很低，因此研究人員使用半導體繼電器(Photo MOS Relay)，開發(fā)LED燈專用的驅動電路，實現(xiàn)LED驅動電路高效率化的目的。

　　根據(jù)實驗結果證實90~110V變動的電源電壓，電源轉換效率高達80.7~91.8%，而且還能夠降低突波電流。新型LED燈專用驅動電路，充分發(fā)揮2個半導體繼電器特性，它具有高效率、低消費電力、低組件數(shù)量、低產(chǎn)業(yè)廢棄物與低制作成本等特征。照明燈具即使提高1%的動作效率，對二氧化碳排放量的抑制、或是減緩地球暖化都有重大貢獻，因此LED燈專用的驅動電路的發(fā)展，已經(jīng)受到業(yè)者高度重視。接著本文要探討使用半導體繼電器突波電流抑制電路的新型LED燈驅動電路動作原理與特征。

　　LED驅動電路

　　圖1是新型LED燈專用驅動電路?？紤]照明燈具整體效率時，電源效率與LED發(fā)光效率同樣重要?；旧螸ED的順向電壓只有數(shù)V非常低，因此LED燈可以使用各種方法，轉換AC100~110V電源驅動LED，然而LED燈專用驅動電路本身，就有各式各樣的特性與問題，接著根據(jù)電源效率的觀點，透過各種驅動電路的比較，深入探討各種驅動方式的特征。

　　驅動方式

　　驅動方式主要分成三大類，分別是：(1)降壓、分壓方式；(2)直接使用AC100~110V方式；(3)使用DC140V方式。

有關第(1)項降壓、分壓方式，本質(zhì)上LED的順向電壓非常低，因此可以使用變壓器降壓，或是使用平順化電容器降壓，類似這樣降壓、分壓方式，主要缺點是損失非常大，經(jīng)常高達10~20%。此外LED高輝度化時，必須提高輸出、增加電流，然而電流穩(wěn)定化卻需要使用電流穩(wěn)定化控制電路，其結果反而造成組件使用數(shù)量、制作成本有增加之虞。

　　有關第(2)項，直接使用AC100~110V方式施加至LED燈群，由于這種方式?jīng)]有任電力何損失，因此它的電源效率幾乎是100%，目前所有交流驅動LED燈都采用這種方式。動作時它是直接對LED燈施加半波或是全波波形，由于這種方式并沒有平順化電路，因此輝度會急遽降低，嚴重時會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，此外LED的使用數(shù)量高達2倍，即使如此下列驅動方式同樣會使全光束降低。

　　有關第(3)項使用非降壓DC方式，由于這種方式的AC100~110V未作降壓、分壓，直接進行全波整流、平順化取得DC140V的電源，因此電源效率非常高，可以施加到LED燈群的電壓也超過100V。非降壓DC方式通常是串聯(lián)連接LED，它可以獲得非常明亮的照明，不過這種方式使用大靜電容量的平順化電容器，因此會有許多突發(fā)電流流動。

　　驅動方式的比較

　　表1為上述驅動方式的比較結果一覽。

　　突波電流抑制電路

　　表1中的非降壓DC型驅動方式，主要缺點會有突波電流的困擾。如上所述所謂「突波電流」是指開啟電源后，流入平順化電容器的巨大充電電流。突波電流經(jīng)常成為斷電器跳脫、或是對電路組件造成過負載的主要原因，如圖2所示為抑制突波電流，類似電阻串聯(lián)連接至平順化電容器等方法都非常有效，然而突波電流是過渡期間發(fā)生的現(xiàn)象，過渡期間以外的恒定狀態(tài)，抑制突波電流的電阻，反而會引發(fā)不必要的電力損失。為削減恒定狀態(tài)時的額外電力損失，以往大多使用熱敏型(Thermist)或是閘流體型(Thyristor)構成的電流抑制電路，不過這類電路卻成為提升電源效率的主要障礙。

　　突波電流抑制電路的必要性

　　電荷未滯留在平順化電容器時，切換器一旦變成ON，為了滯留電荷會有很大的突波電流流動，反過來說無突波電流抑制電路的場合，理論上該值會變成無限大。新開發(fā)的電路會先使電源電壓以DC140V流入LED，接著再使用220μF使平順化電容器，能夠以最大電流155mA動作。

　　圖3是測試突波電流的實驗電路，根據(jù)測試結果顯示突波電流的最大值為36A。為測試電流本電路刻意附加1Ω的電阻，不過實際上卻是0Ω，換句話說可能有更多的電流流動，類似這樣過大電流流動會引發(fā)上述弊害，因此必須設置突波電流抑制電路。

　　各種突波電流抑制電路

　　傳統(tǒng)突波電流抑制電路大多使用熱敏型、閘流體型，或是半導體繼電器型，新開發(fā)的LED燈專用驅動電路，則改用半導體繼電型突發(fā)電流抑制電路。接著介紹各種突波電流抑制電路的特征。

　　熱敏型

　　使用熱敏型主要目的是取代突波電流抑制用電阻，所謂「熱敏型」是指連接熱敏電阻的方法。圖4是熱敏阻型抑制突波電流控制電路圖，動作原理突波電流造成溫度上升的同時，電阻熱敏的阻抗值會自動下降，如此就可以減少恒定狀態(tài)時的電力損失。不過這種方式切斷電源立即再開啟時，熱敏電阻的溫度受到預熱影響，會持續(xù)維持上升狀態(tài)，因此同樣有發(fā)生大突波電流之虞。

　　閘流體型

閘流體型是將閘流體與突波電流抑制用電阻并聯(lián)設置，恒定狀態(tài)時使閘流體變成ON狀態(tài)，在此同時使突發(fā)電流抑制用電阻旁通，藉此削減電力損失。圖5是閘流體型抑制突發(fā)電流控制電路圖，本電路為了使閘流體ON、OFF，必須使用控制電路與控制電路用電源。雖然這種方式可以削減突波電流抑制用電阻的電力損失，不過突波電流控制電路還本身會是會消費電力，因此效率實際上并不如預期理想，此外隨著組件使用數(shù)量增加，電路封裝面積與制作成本同樣有上升之虞。

　　半導體繼電器型

　　圖6是新開發(fā)的半導體繼電器型抑制突波電流控制電路圖，本電路使用半導體繼電器旁通突波電流抑制用電阻。半導體繼電器的消費電力很小，恒定狀態(tài)時的損失非常微量，若與LED燈單元并聯(lián)設置半導體繼電器的輸入端，就可以省略上述閘流體型的突波電流抑制電路用電源與控制電路，有效減少恒定狀態(tài)時的電力損失。此外半導體繼電器的輸入端與輸出端呈電氣性絕緣，因此電路設計很容易、電路結構非常簡易，而且可以有效抑制電路封裝面積的增加。表2是以上三種突波電流控制電路的比較一覽。

　　動作特征

　　如圖1所示新型LED燈專用驅動電路是由下列單元構成，分別是：電源單元、定電流電路單元、定電流電路單元、LED燈單元。電源單元如上所述，首先將AC100V作全波整流，接著進行平順化就能獲得DC140V，不過考慮AC100V±10V的變動，因此實際上會變成DC140V±10V。接著介紹：定電流電路的動作原理、突發(fā)電流抑制電路的動作原理、電源效率、啟動時間。

　　定電流電路的動作原理

　　圖7的定電流電路是圖1中LED穩(wěn)定驅動的定電流電路單元實際電路圖，本電路使用齊納二極管制作定電壓，接著將定電壓施加至FET的VGS使定電流流動。此外本電路還利用定電流二極管，提供