發(fā)光二極管(LED)是用于建筑物及室內(nèi)照明的下一代照明組件，發(fā)光能效比白熾燈高得多，不過(guò)，其必須以專(zhuān)用電子驅(qū)動(dòng)電路，確保不遭受過(guò)大應(yīng)力，從而使它們持續(xù)提供產(chǎn)品規(guī)格中所宣稱(chēng)的長(zhǎng)壽命。針對(duì)此一技術(shù)前提，本文將探討如何使用簡(jiǎn)單LED驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提供必要的可靠性，并將燈具成本降至最低。
LED特性加持 室內(nèi)照明設(shè)計(jì)更有效率
LED照明的特性已使室內(nèi)照明設(shè)計(jì)人員可進(jìn)一步設(shè)計(jì)出新的照明方案，舉例來(lái)說(shuō)，LED尺寸小，且可密集排列，使其能置于軟性燈條內(nèi)，或易于隱藏在櫥柜及樓梯中，達(dá)成更多設(shè)計(jì)彈性。此外，LED的主要工作參數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，只要保持電流恒定，并低于可承受的最大電流，進(jìn)一步在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)工作而不遭受過(guò)大應(yīng)力，LED使用壽命將比白熾燈泡長(zhǎng)一百倍，成為另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。所以，若驅(qū)動(dòng)電路符合LED規(guī)格，其光源輸出將能維持恒定，基本上使用壽命可超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)。
另一方面，建筑物及室內(nèi)照明燈具的設(shè)計(jì)方針須針對(duì)全球普遍的規(guī)范，其燈具須以50或60Hz頻率在85～265VAC的完整通用電壓規(guī)格范圍內(nèi)工作。涵蓋此通用電壓要求的電源電路已完成設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)當(dāng)中，未來(lái)可望以此設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步滲透計(jì)算機(jī)及手機(jī)市場(chǎng)。必須注意的是，這些電源設(shè)計(jì)系針對(duì)終端產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，但并不必然是LED驅(qū)動(dòng)電路的最佳方案。
減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān) 保持電流恒定方案崛起
由于傳統(tǒng)電源提供精確的電壓輸出及不同電流電平，故將一顆電阻與LED串行，就可限制電流。而此類(lèi)設(shè)計(jì)的先決條件是明確知道LED(串)兩端的電壓，且此電壓不會(huì)跟隨LED溫度變化而改變。但不利的是，LED正向電壓通常會(huì)隨著溫度而變化，因此LED制造商須根據(jù)正向電壓對(duì)其組件進(jìn)行編碼，使燈具制造商可構(gòu)建在固定溫度時(shí)與LED正向電壓匹配的燈具設(shè)計(jì)。
在此設(shè)計(jì)考慮之下，不須經(jīng)過(guò)LED編碼的電路具有更強(qiáng)吸引力，因其可節(jié)省LED制造商的時(shí)間，且產(chǎn)制出的LED價(jià)格會(huì)更便宜。不僅如此，囿于安全性問(wèn)題，LED正向電壓還具有負(fù)溫度系數(shù)(即溫度升高時(shí)正向電壓下降)，可能導(dǎo)致電路過(guò)熱而失控，故還須要求設(shè)計(jì)人員構(gòu)建防護(hù)電路，又是一筆額外的成本。
因此，LED驅(qū)動(dòng)電路的最佳方案是可監(jiān)測(cè)電流并保持電流恒定的方案。此類(lèi)電路不受LED正向電壓影響，無(wú)須LED編碼，且消除LED在正向電壓負(fù)溫度系數(shù)的影響。加上此類(lèi)電路應(yīng)用廣泛，可以是復(fù)雜的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或是帶回饋回路的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，而復(fù)雜的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器極適合高光輸出應(yīng)用，如以發(fā)光效能為主的街道照明。
由此可見(jiàn)，建筑物及室內(nèi)照明燈具均適合采用簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)及強(qiáng)固的混合電路設(shè)計(jì)，雖然其效能要求可能不像復(fù)雜的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器高，但低成本和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)架構(gòu)使其成為極具吸引力的選擇。
成本LED驅(qū)動(dòng)電路 截波器/穩(wěn)流器是關(guān)鍵
接下來(lái)將針對(duì)室內(nèi)照明的簡(jiǎn)單、低成本LED驅(qū)動(dòng)電路做介紹，圖1所示的電路由整流橋、截波器(Chopper)和簡(jiǎn)單的穩(wěn)流器構(gòu)成，全波橋由二極管D1、D2、D3和D4(1N4004)構(gòu)成，為截波器電路注入訊號(hào)，開(kāi)關(guān)Q2(NDD03N50Z)將立即導(dǎo)通電容C1(22μF)開(kāi)始充電。
圖1 由整流橋、截波器和簡(jiǎn)單的穩(wěn)流器構(gòu)成的電路圖
而分壓器電阻R1和R2分別為330(kΩ)和390千歐姆，當(dāng)二極管D5(MMSZ5260BT1G)的陰極電壓達(dá)到43.5伏特(V)時(shí)，齊納(Zener)二極管即可導(dǎo)電并導(dǎo)通Q1(MPSA44)。當(dāng)Q1被導(dǎo)通后，就會(huì)將Q2的閘極拉至低電平致其關(guān)閉，不過(guò)電路中須包含二極管D6(MMSZ15T1G)，用于保護(hù)Q2的閘極。此時(shí)，電容C1兩端的電壓維持在80～90伏特之間。C1儲(chǔ)存的電荷為恒流穩(wěn)流器(CCR)(NSI45020AT1G)及LED串(此電路示例中含二十二顆LED)供電。CCR將LED串的電流維持在20毫安(mA)。電路中包含與LED串行的電阻R4(10Ω，1.0%)，用于測(cè)量LED串電流(200mV=20mA)。
必須注意的是，圖2中跡線(xiàn)1代表的是整流橋電路的輸出波形；跡線(xiàn)2為截波器電路輸出部分的電容C1兩端的電壓；而跡線(xiàn)3則是電流感測(cè)電阻(10Ω，1.0%=200mV=20mA)兩端的電壓。
圖2 在150VAC輸入電壓條件下，電路周期不同部分呈現(xiàn)的電壓。
當(dāng)整流橋電壓增加到高于80伏特時(shí)，截波器電路開(kāi)關(guān)也將會(huì)限制施加在穩(wěn)流器電路上的電壓。
另外，透過(guò)圖3的示波器跡線(xiàn)，顯示該電路仍有足夠的設(shè)計(jì)余量(Head Room)來(lái)讓Q1保持在導(dǎo)通狀態(tài)更長(zhǎng)時(shí)間，并使電容C1保持在完整充電的狀態(tài)，只是當(dāng)輸入電壓降低至54VAC后，LED電流便開(kāi)始下降。此外，如圖4所示，在265VAC的高輸入電壓條件下，Q1導(dǎo)通時(shí)間極短，不過(guò)，圖4中跡線(xiàn)2顯示仍有足夠的能量來(lái)為Q1充電，并在關(guān)閉周期維持LED電流。
圖3 輸入電壓為85VAC條件下的電壓波形
圖4 在265VAC輸入電壓條件下所記錄的相同數(shù)據(jù)
發(fā)揮LED優(yōu)勢(shì) 照明燈具使用壽命再提升
事實(shí)上，上述的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可依不同需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而在不同LED的數(shù)組條件下工作。舉例來(lái)說(shuō)，CCR已提供高達(dá)160毫安的額定電流，但若要支持更高電流，可并列布設(shè)CCR，而在C1、R1和R2的選擇上則須使用匹配的LED類(lèi)型及數(shù)量，方能達(dá)成。
總結(jié)而言，本文介紹的電路設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單的截波器及CCR，其配置能以50或60Hz頻率在85～265VAC的完整通用電壓規(guī)格下工作，讓建筑物及室內(nèi)照明燈具，藉由簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)及強(qiáng)固的混合電路，發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)，以獲得更長(zhǎng)的燈具使用壽命。