LED是一個(gè)具有二極體電子特性且會(huì)發(fā)光的半導(dǎo)體元件，其利用順向電流(forWard current)流通經(jīng)半導(dǎo)體p-n結(jié)耦合處，再由半導(dǎo)體中分離之電子與電洞兩種載子相互結(jié)合後，產(chǎn)生光子發(fā)射，不同種類(lèi)的LED能夠發(fā)出從紅外線到藍(lán)光之間、與紫光到紫外線之間等不同波長(zhǎng)的光線，近年的新發(fā)展則是在藍(lán)光LED上塗上螢光粉，將藍(lán)光LED轉(zhuǎn)化成白光LED產(chǎn)品，其電壓-電流特性曲線與一般二極體特性接近，請(qǐng)參閱下列附圖1.1.

 

圖1.1 LED 電壓-電流相對(duì)特性曲線

一般使用於照明用途多以白光LED為主，其亮度正比於流經(jīng)白光LED的順向電流，也因此高功率高亮度的LED應(yīng)用在白光LED的部分近日來(lái)大幅增加，一般高亮度的LED 電流以350/700/1050mA為主流，順向?qū)妷篤F多在3.0~3.5V之間，功率多以0.5/1/3W為主。
 

LED具有熱源少、操作環(huán)境廣、小型化、耐震動(dòng)、光束集中等特點(diǎn)，加上近年白光LED的光通量及發(fā)光效率顯著提昇，已開(kāi)始成為主照明系統(tǒng)選用的光源之一，所應(yīng)用的範(fàn)疇可涵蓋建築(洗牆燈、外牆裝飾燈、庭園燈、探照燈、階梯燈、陽(yáng)臺(tái)燈等)、戶外(路燈、公園燈、柱燈等)、商業(yè)(辦公室照明、廣告照明、展示櫃照明等)、及居家(廚櫃燈、立燈、桌燈、崁燈等)等照明相關(guān)應(yīng)用。
 

LED因?qū)僖环N固態(tài)半導(dǎo)體元件，於正常設(shè)計(jì)範(fàn)圍內(nèi)的可靠度及壽命皆非常好，一般壽命可達(dá)50，000~100，000小時(shí)，遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)燈具的1，000~10，000小時(shí)，但在實(shí)際的LED應(yīng)用設(shè)計(jì)上，卻必須特別注意散熱及驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)考量，否則將導(dǎo)致LED的光衰及燈具使用壽命加速衰減，請(qǐng)參閱下列附圖1.2，因此驅(qū)動(dòng)電源的選擇及散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將是決定LED應(yīng)用是否達(dá)成節(jié)能環(huán)保、高效率、長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵。




              圖1.2 LED介面溫度與壽命的關(guān)係
 

LED之驅(qū)動(dòng)主要是要產(chǎn)生順向電流 I_f 流過(guò)元件，但由於LED非線性的V-I(電壓-電流)曲線特性、溫度及製程對(duì)順向電壓(V_f)的變化差異較大，目前一般使用上多採(cǎi)用恆定電壓源(constant voltage (C.V.) source)或恆定電流源(constant current ( C.C.) source)兩種方式作為驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載之電源。用恆定電壓源驅(qū)動(dòng)(C.V.)並不能保證LED亮度的一致性，且會(huì)影響LED的可靠度、光衰及壽命。因此，超高亮度LED通常採(cǎi)用恆定電流源(C.C.)來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖(2)所示.恆定電流源可避免順向電壓變化所造成的電流變化.如此便可產(chǎn)生恆定的LED亮度，無(wú)論順向電壓如何變化.產(chǎn)生恆定電流源很容易，只需要調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)線路通過(guò)電流檢測(cè)電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源供應(yīng)器的輸出電壓。

一般傳統(tǒng)電源供應(yīng)器都是提供恆定電壓(Constant Voltage， C.V.)給負(fù)載，如明緯單輸出電源供應(yīng)器RS-25-5機(jī)型便可提供5V/0~5A給各式負(fù)載，輸出電壓為恒定的5V，而輸出電流之大小則依負(fù)載的使用狀況，可為0~5A之間的任意值.當(dāng)總負(fù)載使用電流超過(guò)5A時(shí)，電源供應(yīng)器就會(huì)進(jìn)入”過(guò)負(fù)載保護(hù)”模式(一般設(shè)計(jì)為額定負(fù)載的105%~150% 之間會(huì)進(jìn)入保護(hù)模式)，常見(jiàn)的過(guò)負(fù)載保護(hù)模式有很多種，如Shut doWn模式(迅速將電源供應(yīng)器關(guān)機(jī))、 Hiccup模式(輸出電壓呈現(xiàn)跳動(dòng)狀態(tài))、定電流模式(輸出電流恆定於一固定值，通常為105~150% 額定電流，此時(shí)輸出電壓會(huì)下降).過(guò)負(fù)載保護(hù)被啟動(dòng)時(shí)代表電源供應(yīng)器此時(shí)處?kù)懂惓顟B(tài)，一般並不適合讓電源供應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間工作於此狀況下.明緯LED電源供應(yīng)器家族中之LPV系列與LPH/LPC-18系列即屬於此類(lèi)定電壓輸出式電源，其所搭配之過(guò)負(fù)載保護(hù)類(lèi)型為Hiccup模式，在LED相關(guān)應(yīng)用上需搭配使用LED定電流驅(qū)動(dòng)IC(圖1.5)，或串接限流電阻(圖1.4)




而一般所謂可提供恆定電流(C.C.)的LED電源供應(yīng)器就是參照上述的〝定電流保護(hù)〞概念，利用回授控制將輸出電流維持於一固定值(接近於規(guī)格書(shū)上的額定電流)，唯一不同點(diǎn)為: LED電源供應(yīng)器於定電流(C.C.)模式(或保護(hù))時(shí)屬正常工作狀態(tài)，零件的選用及設(shè)計(jì)皆已考量能長(zhǎng)時(shí)間提供此恆定電流輸出。一般只有在系統(tǒng)設(shè)計(jì)為〝電源供應(yīng)器直接驅(qū)動(dòng)LED〞時(shí)才會(huì)使電源供應(yīng)器工作於定電流狀態(tài)下(如圖1.3)。



                 圖1.6: 典型定電流LED電源供應(yīng)器之I-V特性曲線圖


如圖1.6為一典型的定電流LED電源供應(yīng)器I-V特性曲線圖，各LED電源機(jī)型定電流輸出區(qū)間依不同之線路設(shè)計(jì)會(huì)有所差異.如上圖，當(dāng)輸出電壓保持於50%額定值以上時(shí)才處?kù)抖娏髂Ｊ较?，故輸出串接之LED的V_F值總和須大於此界線值；若輸出串接之LED的V_F值總和小於50% 額定輸出電壓，此時(shí)電源供應(yīng)器就會(huì)進(jìn)入Hiccup區(qū)間，便無(wú)法用於驅(qū)動(dòng)LED.目前明緯LED電源供應(yīng)器大多數(shù)為定電流輸出機(jī)種，且都會(huì)於規(guī)格書(shū)上標(biāo)示合適之LED工作區(qū)間(Constant current range)，依不同線路設(shè)計(jì)此區(qū)間可為3V~100%V_O、9V~100%V_O 、70%~100%V_O不等(PFC機(jī)種因另需考量符合Harmonic Class C，此區(qū)間之下限值可能到達(dá)75%之額定輸出電壓).燈具系統(tǒng)設(shè)計(jì)者若採(cǎi)用電源供應(yīng)器直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，需於串聯(lián)LED顆數(shù)上考慮此合適工作區(qū)間，以免無(wú)法使用。

事實(shí)上，明緯具定電流輸出功能之LED電源供應(yīng)器大多具有C.V.+C.C.之特性(實(shí)際特性曲線，請(qǐng)參閱機(jī)型規(guī)格書(shū))，也就是說(shuō)他們?cè)谖吹竭_(dá)定電流區(qū)間之前可工作於〝定電壓(C.V.)模式〞，適合搭配LED驅(qū)動(dòng)IC或串接限流電阻使用；而到達(dá)定電流區(qū)間後則工作於〝定電流(C.C.)模式〞，可用於直接驅(qū)動(dòng)LED之設(shè)計(jì).此種C.V.+C.C.之特性可應(yīng)用於各式LED配置方式中，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更具彈性。


下表為三種常見(jiàn)之LED系統(tǒng)配置優(yōu)缺點(diǎn)比較:

常見(jiàn)的LED燈具架構(gòu)多為串聯(lián)形式，因?yàn)槿绱丝纱_保LED的亮度相等，但即使是同一型號(hào)，同一批次的LED其順向工作電壓都有一定差別.另當(dāng)工作溫度升高時(shí)LED順向電壓會(huì)下降，這將使其順向電流上升，故必須採(cǎi)用限流電路.常見(jiàn)的架構(gòu)有以下幾種:

• ????LED 電源供應(yīng)器直接驅(qū)動(dòng)，如圖1.7
此架構(gòu)的成本低且配接簡(jiǎn)單，僅需考慮LED本身特性差異，設(shè)計(jì)也較為單純；但需選用穩(wěn)流能力高的LED電源供應(yīng)器(具定電流模式輸出之機(jī)種)，且仍有LED每路均流性仍不佳的問(wèn)題。
矩陣架構(gòu)的LED配接方式可避免因少部分LED損壞導(dǎo)致多顆LED損壞。使用者基本上不需外加裝限流電阻及LED驅(qū)動(dòng)IC來(lái)平衡每路LED電流，選用明緯具備恆流型機(jī)種直接配接使用即可.而對(duì)於所使用的LED需經(jīng)過(guò)篩選，以避免因LED順向電壓差距過(guò)大，導(dǎo)致分流不均，造成部分LED承受電流過(guò)大而損壞。


圖1.7 恆流式電源供應(yīng)器直接驅(qū)動(dòng) LED負(fù)載


• 串接限流電阻驅(qū)動(dòng)LED， 如圖1.8
此架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在於價(jià)格低廉且裝配設(shè)計(jì)容易，均流程度較電源供應(yīng)器直接驅(qū)動(dòng)佳，但是其具有電阻消耗功率大、電流易隨電壓變化、LED亮度不均勻、且無(wú)法準(zhǔn)確地控制電流及對(duì)LED無(wú)保護(hù)等缺點(diǎn)。


圖1.8: 恆流式或恆壓式電源供應(yīng)器搭配電阻驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載

範(fàn)例:
使用 HLG-150H-30(30V/5A)驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)LED顆數(shù)固定8顆，並聯(lián)8路為例。


V : LED電源供應(yīng)器額定輸出電壓
V_F  : LED順向工作電壓(本例取3.5V)
I_F:  : LED驅(qū)動(dòng)電流(本例取625 mA)



• 電源供應(yīng)器搭配線性恆流源驅(qū)動(dòng)IC電路 如圖1.9
此架構(gòu)的成本適中；且LED及LED電源供應(yīng)器使用壽命長(zhǎng)，電路設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單；但此架構(gòu)的成本比限流電阻方式高，線性恆流源消耗功率與電阻方式相同，且不適用於輸入電壓變化大的場(chǎng)合。
線性恆流源無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)控制電流，均流效果較下述的PWM恆流源差，IC基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似”電阻+電子開(kāi)關(guān)”，透過(guò)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通比，調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流。


圖1.9: 恆流式或恆壓式電源供應(yīng)器搭配線性恆流源驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載


• 電源供應(yīng)器搭配PWM恆流驅(qū)動(dòng)IC電路 如圖1.10
此線路架構(gòu)為目前主流的驅(qū)動(dòng)方式，其對(duì)電流控制穩(wěn)流及均流性最佳，LED本身及LED電源供應(yīng)器使用壽命長(zhǎng)；但相較於其他架構(gòu)此方式的成本最高，配接複雜性也較高，還需考量PWM恆流電路的EMC高干擾問(wèn)題，且易有高頻異音。
PWM恆流源會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制電流以達(dá)均流效果，確保各路LED有相同的亮度.主要區(qū)分為降壓型、升壓型及升降壓等電路架構(gòu)，線路上透過(guò)和電源供應(yīng)器一樣的頻寬或頻率調(diào)整，達(dá)到控制恆定電流驅(qū)動(dòng)的目的。


圖1.10: 恆流式或恆壓式電源供應(yīng)器搭配PWM恆流源驅(qū)動(dòng)LED

如圖2.1步驟一所示，連接LED燈具模組與明緯電源供應(yīng)器的輸出端.  
如圖2.1步驟二所示，連接明緯電源供應(yīng)器至AC電源端

注意：此順序不可顛倒，若是先將電源供應(yīng)器接上AC電源，再接LED燈具模組，由於會(huì)有瞬間的高突波電流進(jìn)入LED模組，如果LED模組無(wú)使用LED驅(qū)動(dòng)IC而是採(cǎi)直接驅(qū)動(dòng)的方式，則有可能造成LED燈具模組內(nèi)之LED因瞬間電流過(guò)大損壞。


圖2.1: LED電源供應(yīng)器組裝說(shuō)明
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明緯LED電源全系列產(chǎn)品皆具有輸入端突波電流(Inrush current)及突波電壓(peak AC)的抑制保護(hù)，輸出端短路(Short)、過(guò)載(OLP)、過(guò)電壓(OVP)等保護(hù)功能，部分機(jī)型並具有過(guò)溫度保護(hù)(OTP)功能，請(qǐng)?jiān)旈喢骶暯粨Q式電源供應(yīng)器技術(shù)手冊(cè)。
 

電源供應(yīng)器在一般的使用條件下，負(fù)載的型態(tài)及負(fù)載量對(duì)電源供應(yīng)器的效率有一定程度的影響，請(qǐng)參考下列附圖為HLG-150H-48採(cǎi)用LED負(fù)載及一般負(fù)載下在70%~100%負(fù)載間的效率變化，可看出在採(cǎi)用LED負(fù)載直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED串聯(lián)VF電壓的設(shè)定越低將會(huì)使效率下降，因此設(shè)定在85~95%的電壓為較佳的設(shè)計(jì)考量。


 

LED電源供應(yīng)器在不同類(lèi)型負(fù)載下的功率因數(shù)(PF)及諧波電流影響，請(qǐng)參考下列附圖說(shuō)明，MEAN WELL LED電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)及調(diào)整在一般條件下，使用LED負(fù)載時(shí)的PF會(huì)較一般負(fù)載略差，而LED 串接後Vf電壓的大小，亦會(huì)影響PF的高低，因此燈具LED的Vf電壓設(shè)定以靠近電源供應(yīng)器的額定輸出電壓較佳。

MEAN WELL 具PFC功能的LED電源供應(yīng)器在線路設(shè)計(jì)上採(cǎi)用兩種主要線路架構(gòu)，兩種線路架構(gòu)的差異比較及與無(wú)PFC線路優(yōu)缺點(diǎn)如下表及方塊圖：


                                         圖2.2: Non PFC 線路方塊圖


                                      圖2.3: Single stage PFC 線路方塊圖


                                 圖2.4: TWo stage PFC 線路方塊圖



*詳細(xì)機(jī)型可參閱明緯LED電源供應(yīng)器產(chǎn)品比較表

LED元件的發(fā)光效率其實(shí)並不高，約只有30%會(huì)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，其餘70%則轉(zhuǎn)換為熱能，所以散熱的設(shè)計(jì)考量非常重要.根據(jù)LED的溫度特性，基本上溫度每上升5℃，光通量就下降3%，可靠度下降10%，故溫升為影響壽命及光衰的主要原因 。

• 明緯LED電源全系列皆採(cǎi)用自然風(fēng)冷式散熱，最高工作環(huán)溫皆可達(dá)50℃~70℃，  另金屬外殼系列可將機(jī)殼熱源導(dǎo)至系統(tǒng)外殼，更可提升整體可靠度.
• LED電源供應(yīng)器的壽命與溫度有很大的關(guān)係，以HLG-150系列為例在相同負(fù)載情形之下，工作溫度越低其壽命越長(zhǎng)，而在相同溫度的時(shí)候，負(fù)載越輕，電源供應(yīng)器的壽命也會(huì)越長(zhǎng)，故在選用電源供應(yīng)器時(shí)，建議保留負(fù)載的餘裕度，以匹配LED壽命較長(zhǎng)的特性，其關(guān)係如圖2.5所示.

                      圖2.5: 電源供應(yīng)器之負(fù)載、溫度及壽命關(guān)係圖

• 由圖2.6可知，以HLG-150H-48為例當(dāng)環(huán)境溫度上升至一定環(huán)溫(>60度)時(shí)，為維持電源供應(yīng)器的整體溫昇及可靠度，其定義的供應(yīng)負(fù)載能力會(huì)隨之下降，故工作環(huán)境溫度的選定必須列為設(shè)計(jì)的重要考量，建議依據(jù)工作溫度的高低，使用功率、環(huán)境等決定散熱結(jié)構(gòu)，或選取適當(dāng)較低環(huán)溫的位置固定電源供應(yīng)器。

明緯LED電源供應(yīng)器部分機(jī)型具有輸出電壓/電流可調(diào)功能(灌膠型IP67機(jī)型不可調(diào)，部份塑膠外殼型需打開(kāi)外殼才能調(diào)整)，而金屬外殼 A type機(jī)型可由外部調(diào)整，可調(diào)整電壓範(fàn)圍約有10%或0~ -15%，電流範(fàn)圍約在50~100%，詳細(xì)調(diào)整規(guī)格請(qǐng)參閱機(jī)型規(guī)格書(shū)。
 

•  金屬外殼接地：
•               具有保護(hù)性接地(FG)，建議電源本體及LED燈體皆與FG連接，可降低整體EMI雜訊干擾.
  •  配線：
•             輸入及輸出線長(zhǎng)依據(jù)客戶應(yīng)用可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)米，其共模雜訊將非常大，建議於靠近LED燈體端加上共模夾扣鐵心可有效降低此雜訊，AC電源線若過(guò)長(zhǎng)亦可采此方式對(duì)策，請(qǐng)參考附圖4.9.
  • 高突波(SURGE)需求：
•            于戶外應(yīng)用環(huán)境因應(yīng)雷擊突波需求，HLG/HLG-C/HVG/HVGC/CLG等機(jī)型在SURGE的耐受可達(dá)到4KV或更高，如需更高的SURGE耐受可再外接明緯突波保護(hù)器SPD-20，也可以自行外加突波吸收器(ZNR， 470V)或氣體放電管(Gas Tube， 500V)對(duì)策，但需考慮整體安規(guī)要求，請(qǐng)參考附圖2.9.
  
  
  
                                圖2.9: EMI及雷擊(SURGE)對(duì)策建議示意圖
   
  • LED模組具有LED驅(qū)動(dòng)IC電路：
•            LED驅(qū)動(dòng)IC做為恆流(C.C.)驅(qū)動(dòng)的條件下將可能使EMI的對(duì)策更形複雜，由於LED驅(qū)動(dòng)IC本身即為高頻切換(數(shù)百K~數(shù)MHz)的線路結(jié)構(gòu)，因此本身的雜訊抑制更為重要，其PCB佈局的配置需重視IC接地大小及輸入輸出的電容及電感配置，一般建議需於電源供應(yīng)器輸出線到LED驅(qū)動(dòng)IC線路的PCB加上共模電感(commonchoke)、差模電感(differential choke)及高頻X電容，請(qǐng)參考附圖2.10.
  
             
                                                                  圖2.10: LED driver EMI對(duì)策建議示意圖