LED驅動電源的功率因子將達到95%以上

    隨著科技的進步，照明工具與方式不斷改變，用戶對于照明器具所呈現出來的照度、均勻度、演色性及能源效率等需求標準愈來愈高，現階段而言，最受矚目的照明后起之秀當非led照明莫屬。以電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈(臺燈、櫥柜內照明)、景觀照明、廣告牌文字電路、建筑物照明等一般照明市場為例，預計到2012年，LED照明市場規模將成長至13.08億美元，年復合成長率高達17.4%。因此，LED通用照明已成為熱門市場。 

    然而LED在照明市場應用上仍存在某些問題，其中包括LED一致性、壽命測試，尤其是電源供應與驅動系統規格等問題還有待解決等。在LED驅動電源方面的要求包括高效率、高功率因子、高電流控制精度、高可靠性、安全隔離、符合EMI標準、體積小、成本低等。值得注意的是，最新的能源之星標準提出對于大于5W的LED照明產品，要求功率因子指標(PFC)必須大于0.7，如此才能進一步達成節能的目的。 

    電源輸入系統要求各有不同 

    分析LED燈具的成本結構，散熱組件約占三成，電源供應系統占兩成，組裝部分占5%，LED組件則占最大比例，達45%之多。在LED燈具的各個部分中，電源模塊肩負節能重任。目前市場上的LED照明電源輸入系統可分為為兩類，一類前端為AC電源輸入系統加上后端的恒流控制模塊，此類產品包括冷凍柜燈條、室內燈具、路燈、臺燈、MR16、AR111等。另一類為交流電源直接輸入系統整合AC/DC轉換器和恒流線路，此類產品包括E27和GU10等燈泡型LED燈、PAR燈、T5和T8 LED燈管等。 

    根據凱鈺科技資深經理何紹加表示，第一類電源設計除了應選擇前端效率較佳的恒定電壓電源供應器外，后端恒定電源控制的電源模塊則依其產品特性采用效率較佳的電源設計。其優點在于前端AC/DC的電源供應器，如開關電源、DC適配器等恒定電壓電源，可選擇性高且多有安規認證的方案，從而降低設計的門坎。 

    第二類電源設計則由于整合了AC/DC的電路和恒定電流電路，主要的難度存在于功率因子、電源效率和安規等方面的考慮，設計也存在一些難度。針對此，業者表示，不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明應用所適合的電源拓撲結構各不相同。如在功率低于80 W的應用中，反激拓撲結構是標準選擇；而在講究高效能的應用中，諧振半橋雙電感加單電容(HB LLC)則是首選。 

    高電源轉換效率為追求目標 

    據了解，超高效能的LED照明拓撲結構在近年來頗受歡迎，業者主要是寄望能以在相對較低的功率級別(<50W)提供高于90%的效能，而如此高的效能需要以新的拓撲結構達成，例如以諧振半橋拓撲結構取代反激拓撲結構，如此可充分發揮零電壓開關(ZVS)的優勢。 

    從應用的功率等級來看，AC-DC供電的LED一般照明應用包括低功率、中等功率和大功率等不同類型。低功率應用的功率范圍通常在1到12W之間；中等功率涵蓋8到40W范圍；大功率應用的功率常高于40W。 整體而言，LED照明驅動電源業者面臨的主要挑戰便是LED驅動器應挑戰更高的轉換效率，尤其是在驅動大功率LED時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，將會影響LED節能效果的發揮。 

    首先，在1W到8W的低功率LED一般照明方面，典型應用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌燈等。此類應用的輸入電壓范圍在交流90至264V之間，恒流輸出電流包括350mA和700mA兩種，效能要求為80%，并要求提供短路保護和過壓保護等保護功能。在8W至25W LED一般照明應用要求及方案方面，則分為無PFC及有PFC。 

    針對無PFC的情況， 8W到25W AC-DC LED照明的典型應用如PAR30、PAR38和嵌燈。在此類應用中，輸入電壓要求為85~135 Vac或185~264Vac(或通用輸入)，效能要求大于80%，提供短路保護及開路保護等保護功能，恒流輸出電流為350mA、700mA及1A等不同電流。在要求PFC的8W到25W AC-DC LED照明方面，典型應用同樣是PAR30、PAR38和嵌燈。此類應用的輸入電壓規格為90至264 Vac，效能要求80%，支持350mA、700 mA及1A恒流輸出，提供短路及過壓保護，功率因子要求高于0.9。至于50W至200W LED一般照明多用于街道照明及大功率區域照明，可以采用用于50W-150W或100~200W功率范圍的不同LED方案。 

    主動式功率因子調整達到95%以上 

    針對LED照明電源驅動需求，在恒流驅動器方面，凱鈺科技主推T6316，它是一個具有4個通道的定電流發光二極管驅動器，輸出電流可依照外置電阻而定。凱鈺科技的T6322則是一個降壓恒流LED驅動器，其電流依照外置電阻決定，可支持高達1.5A輸出電流，提供±5%精度電流及高功率效能(低能耗)及高線路調整能力，T6316具有±6%精度電流與通道間±3%匹配精度，可用于路燈、燈管等照明設備。 

    何紹加并進一步表示，在功率因素方面，目前被動式功率因子調整可以達到0.8，其結構簡單、價格低廉、工作頻率與電源相同、但被動組件體積大、重量重，且需針對特定輸入電壓和負載條件來設計。針對此，凱鈺可提供對應的被動式填谷濾波器來修正整體的功率因子，讓LED驅動器的功率因子達85%以上，據了解，凱鈺科技即將開發完成的驅動器將采用主動式的功率因子調整，其整體的功率因子達95%以上，將能進一步達到節能目標。 

    立锜也已推出LED照明驅動IC -RT84系列，立锜表示，有別于市面上多采用磁滯控制的降壓型LED驅動IC，立锜全系列產品采用定頻控制，使電感值的減少維持為磁滯控制的三分之一，其定頻控制方式也比磁滯控制較不隨輸入電壓及電流的變化導致精確度變差。立锜亦針對不同的LED照明應用提出不同的降壓、升壓及升降壓的LED解決方案。 

    立锜表示，目前市面上產品應用大多采降壓LED驅動IC進行設計，此方法的優點是設計概念簡單，但LED驅動的數目會受限于降壓電路的限制以致于需使用大量的降壓IC，采用立锜的升壓驅動IC則可大幅減少LED降壓驅動IC一半以上的使用量及成本。立锜目前的LED驅動電源產品可滿足客戶降壓、升壓及升降壓的應用，從1W至400W均提供相對應產品。并對標準燈具如MR16、AR111、GU10、E27、PAR30、PAR38等規格提供解決方案。 

    兼具隔離和非隔離應用的支持 

    談到LED照明驅動電源，不能不提的當然還有恩智浦半導體(NXP Semiconductors)，該公司于今年上半年推出一款全新LED控制器SSL2103。恩智浦表示，該產品進一步擴展恩智浦已獲得市場驗證的AC/DC LED驅動器產品系列(SSL2101/SSL2102) ，使其能適用于多樣的照明應用。恩智浦半導體照明部門營銷總監Jacques Le Berre表示，SSL2101不僅能符合市場對于LED的需求，更引領整個產業提供更節能的照明解決方案。事實上， SSL2101自2009年春季上市至今的銷量已超過一千萬枚。SSL2101和SSL2102產品已相當成熟，可應用到各種可調光LED驅動器中，非常適合高整合、低功耗的應用，例如低于25瓦的獨立整流器或低于15瓦的LED燈泡。 

    SSL2103則具有同類產品SSL2101的功能和特性，并可用于更高功率的解決方案。作為一款多用途AC/DC LED照明控制器，SSL2103具有更大的功率適用范圍和更好的調光兼容性，使其適用于可調光與不可調光的LED照明燈。此外，SSL210x系列產品整合相同功能的控制器，提高該系列產品在各種LED照明燈應用中的通用性。SSL2103主要針對更高功率的LED照明燈具(PAR20、PAR30和PAR38) 而設計，可為LED燈具設計提供功率、外形尺寸及調光控制方面提供更大的彈性。 

    據了解，SSL2103除具有SSL2101和SSL2102的功能和性能外，還可滿足更高功率的應用。此一功能的實現是透過外部功率開關，并可同時支持可調光或非可調光照明驅動器的應用。與先前產品的設計相似，SSL2103在正常工作溫度下的壽命可超過75,000小時。恩智浦的AC/DC LED驅動器產品系列可提供相當多樣的技術方案，并可支持隔離或非隔離燈具的應用。此外，該系列產品亦可應用于100V、110V或230V的交流電源網絡，電路板外形尺寸則可應用于E27、GU10或者PARx燈具。此產品系列中還包含整合功率開關和泄流電路(bleeder circuitry) 的產品，可使PCB板的尺寸更小。 

    保持超高效率的可調光方案 

    再者，Infineon推出的可調光LED驅動方案ICL8001G，主要用于10W-60W，可支持調光功能，適用于住宅照明用的高效LED燈泡足以替代40W/60W/100W白熾燈泡，并支持各種典型的消費照明應用。Infineon表示，采用ICL8001G的驅動器電路板，是以創新的主控技術來管理LED功耗。25個組件就足以因應一盞10瓦LED燈所需(效能等同60瓦)，相較于其他替代產品，可省電一半并減少約30%的成本，參考設計印刷電路板面積更僅為20mm x 70mm可輕松嵌入一般旋入式燈泡。所有組件全部組裝于一片單面電路板，有助于進一步降低成本。 據了解，ICL8001G節能效果可達90%，支持多種已安裝的墻面調光器，同時也是唯一的整合功率因素校正(PFC)功能的主控式脫機型LED驅動器解決方案，功率因子超過98%。 

    相較于目前許多可調光的LED可調光方案，調光會造成30%的能源效率下降，英飛凌驅動器解決方案由于采用許多舍相(phase-cut)調光器，因此在整個調光范圍內都可保持超高效率(>80%)。ICL8001G其他特點包括：驅動器輸出獨立，可有效防止過熱問題；數字軟啟動功能，內建啟動單元，隨開即亮；逐周期電流限制；短路保護、過壓保護及過熱偵測。 

    無電解電容LED驅動電源方案 

    再者，在目前市面上，無需電解電容的LED照明驅動電源解決方案也相當值得一提。例如日本村田制作所在今年七月間于TECHNO FRONTIER 2010上展示用于LED照明的數字電源電路，其輸入輸出電容器便是以該公司的多層陶瓷電容(MLCC)取代電解電容，可內置于直管型LED照明器具的管內。與采用鋁電解電容器時相比，此方案除了可縮小產品尺寸外，還能延長產品壽命，為了獲得恒定電流，此方案采用了DSP微控制器，開關頻率約為200kHz。輸出電容器采用了兩個約5μF的MLCC。輸入電壓支持AC100V以及200V兩種。據了解，一般情況下，該容量的MLCC無法完全吸收脈動電流，不過通過改進DSP側的控制，不會感覺到照明器具的閃爍。主電路采用非絕緣升降壓型，沒有設置PFC(功率因子改善)電路。外形尺寸為180mm×19.4mm×6.5mm。 

    基本上，之所以要取代電解電容，主要是因為目前普通LED照明驅動電源的工作壽命取決于AC轉DC時平滑電路必須采用的電解電容。而LED的工作壽命高達4萬小時，電解電容的壽命卻只有幾千小時，由于系統的壽命是由電源組件中使用的電解電容的壽命來決定的，如果不想法拿掉電解電容，那么LED照明驅動電源的壽命與LED的壽命就無法匹配，LED照明的長工作壽命勢必受到影響，因此近來業界相當積極于開發無電解電容的LED照明驅動電源解決方案。 

    直接以交流電驅動可帶來更大應用空間 

    為求解決交流/直流轉換器的壽命比LED壽命短的問題，除上述方案外，交流LED的開發亦頗受矚目，例如首爾半導體開發的Acriche便無需AC/DC轉換器，可直接連接交流電源驅動。此外，臺灣工研院所研發的片上交流電LED照明技術亦是采用交流電直接驅動LED芯片發光，工研院電光所、光電組件與系統應用組朱慕道組長指出，此技術不需整流變壓器，較傳統LED節省15~30%電力，搭配立體導熱、可插拔封裝技術，體積小等特性，更容易進行多變化的照明設計，工研院表示，此技術不僅節能減碳，也提升了整體LED的發光效率，更為LED整體的照明應用，帶來更寬廣空間和市場機會，相信這項技術將會在5年內成為未來極具潛力的照明技術。■