圖 1.1 LED 電壓-電流相對特性曲線
| 南樺 電子報 159 | 出刊日期 | 2010.03.01 |
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| LED簡介： |
| 1. LED 基本原理： |
| LED 是一個具有二極體電子特性且會發光的半導體元件，其利用順向電流 If (forward current) 流通經半導體 p-n 結耦合處，再由半導體中分離之電子與電洞兩種載子相互結合後，產生光子發射，不同種類的 LED 能夠發出從紅外線到藍光之間、與紫光到紫外線之間等不同波長的光線，近年的新發展則是在藍光 LED 上塗上螢光粉，將藍光 LED 轉化成白光 LED 產品，其電壓-電流特性曲線與一般二極體特性接近，請參閱下列附圖 1.1。 |
圖 1.1 LED 電壓-電流相對特性曲線 |
| 一般使用於照明用途多以白光 LED 為主，其亮度正比於流經白光 LED 的順向電流，也因此高功率高亮度的 LED 應用在白光 LED的部分近日來大幅增加，一般高亮度的 LED 電流以 350/700/1050mA 為主流，順向導通電壓 VF 多在 3.0~3.5V 之間，功率多以 0.5/1/3W 為主。 |
| 2. LED應用： |
| LED 具有熱源少、操作環境廣、小型化、耐震動、光束集中等特點，加上近年白光 LED 的光通量及發光效率顯著提昇，已開始成為主照明系統選用的光源之一，所應用的範疇可涵蓋建築(洗牆燈、外牆裝飾燈、庭園燈、探照燈、階梯燈、陽台燈等)、戶外(路燈、公園燈、柱燈等)、商業(辦公室照明、廣告照明、展示櫃照明等)、及居家(廚燈、立燈、桌燈、崁燈等)等照明相關應用。 |
| 3. LED壽命與可靠度： |
| LED 因屬一種固態半導體元件，於正常設計範圍內的可靠度及壽命皆非常好，一般壽命可達 50,000 ~ 100,000 小時，遠超過傳統燈具的 1,000 ~ 10,000 小時，但在實際的 LED 應用設計上，卻必須特別注意散熱及驅動方式的設計考量，否則將導致 LED 的光衰及燈具使用壽命加速衰減，請參閱下列附圖 1.2，因此驅動電源的選擇及散熱結構的設計，將是決定 LED 應用是否達成節能環保、高效率、長壽命的關鍵。 |
 圖 1.2 Philips LEDs 介面溫度與壽命的關係 |
| 4. LED驅動方式 ： |
| LED 之驅動主要是要產生順向電流 If 流過元件，但由於 LED 非線性的 V-I (電壓-電流) 曲線特性、溫度及製程對順向電壓 (Vf ) 的變化差異較大，目前一般使用上多採用恆定電壓源 (constant voltage (C.V.) source) 或恆定電流源 (constant current ( C.C.) source) 兩種方式作為驅動 LED 負載之電源。 用恆定電壓源驅動 (C.V.) 並不能保證 LED 亮度的一致性，且會影響 LED 的可靠度、光衰及壽命。因此，超高亮度 LED 通常採用恆定電流源 (C.C.) 來驅動，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。如此便可產生恆定的 LED 亮度，無論順向電壓如何變化。產生恆定電流源很容易，只需要調整 LED 驅動線路通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源供應器的輸出電壓。 |
| 5. 電源供應器定電壓(C.V.)模式與定電流(C.C.)模式動作簡介： |
| 一般傳統電源供應器都是提供恆定電壓 (Constant Voltage, C.V.) 給負載，如明緯單輸出電源供應器 RS-25-5 機型便可提供 5V / 0~5A 給各式負載，輸出電壓為恒定的 5V，而輸出電流之大小則依負載的使用狀況，可為 0 ~ 5A 之間的任意值。當總負載使用電流超過 5A 時，電源供應器就會進入〝過 負載保護〞模式(一般設計為額定負載的 105% ~ 150% 之間會進入保護模式)，常見的過負載保護模 式有很多種，如 Shut down 模式(迅速將電源供應器關機)、 Hiccup 模式(輸出電壓呈現跳動狀態)、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，此時輸出電壓會下降)。過負載 保護被啟動時代表電源供應器此時處於異常狀態， 一般並不適合讓電源供應器長時間工作於此狀況 下。明緯 LED 電源供應器家族中之 LPV 系列與 LPH / LPC-18 系列即屬於此類定電壓輸出式電源， 其所搭配之過負載保護類型為 Hiccup 模式，在 LED 相關應用上需搭配使用 LED 定電流驅動 IC (圖 1.5)，或串接限流電阻 (圖 1.4)。 |
 圖1.3 |
 圖1.4 |
 圖1.5 |
| 而一般所謂可提供恆定電流 (C.C.) 的 LED電源供應器就是參照上述的〝定電流保護〞概念，利用回授控制將輸出電流維持於一固定值 (接近於規格書上的額定電流)，唯一不同點為: LED 電源供應器於定電流 (C.C.) 模式 (或保護) 時屬正常工作狀態，零件的選用及設計皆已考量能長時間提供此恆定電流輸出。一般只有在系統設計為〝電源供應器直接驅動 LED〞時才會使電源供應器工作於定電流狀態下 (如圖 1.3)。 |
圖 1.6 : 典型定電流 LED電源供應器之 I-V 特性曲線 |
| 如圖 1.6 為一典型的定電流
LED 電源供應器 I-V 特性曲線圖，各 LED 電源機型定電流輸出區間依不同之線路設計會有所差異。如上圖，當輸出電壓保持於
50% 額定值以上時才處於定電流模式下，故輸出串接之 LED的 VF
值總和須大於此界線值；若輸出串接之 LED 的 VF 值總和小於
50% 額定輸出電壓，此時電源供應器就會進入 Hiccup 區間，便無法用於驅動 LED。目前明緯
LED 電源供應器大多數為定電流輸出機種，且都會於規格書上標示合適之 LED 工作區間
(Constant current range)，依不同線路設計此區間可為 3V ~ 100%Vo、9V ~ 100%Vo
、70% ~ 100%Vo 不等 (PFC 機種因另需考量符合 Harmonic Class C，此區間之下限值可能到達
75% 之額定輸出電壓)。燈具系統設計者若採用電源供應器直接驅動 LED時，需於串聯
LED 顆數上考慮此合適工作區間，以免無法使用。 事實上，明緯具定電流輸出功能之 LED 電源供應器皆具有 C.V. + C.C. 之特性，也就是說他們在未到達定電流區間之前可工作於〝定電壓 (C.V.) 模式〞，適合搭配 LED 驅動 IC 或串接限流電阻使用；而到達定電流區間後則工作於〝定電流 (C.C.) 模式〞，可用於直接驅動 LED 之設計。此種 C.V. + C.C. 之特性可應用於各式 LED 配置方式中，使得系統設計上更具彈性。 |
| 下表為三種常見之 LED 系統配置優缺點比較： |
| 驅動方式與電源選用
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特 點 |
優 缺
點 |
| 直接驅動 使用 C.C. 模式電源 |
電源供應器輸出電壓等於所有 串接 LED 之 Vf 值總和，If 因溫 度變化影響會有較大之變化 |
○價格最低 ○效率最高 X 並聯之各路電流不穩定 X 並聯之各路 LED 亮度不平均 X 光衰快，LED 壽命最低 |
| 串聯電阻 使用 C.V.或 C.C.模式電源均可 |
超過所有串接
LED Vf
值總和之 壓差會降於串接電阻上，電流(If 穩定度中等 |
○價格低，僅增電阻之成本 X 效率最差，增加了電阻耗損 |
| 串聯恆流驅動
IC 使用 C.V.或 C.C.模式電源均可 |
IC
自動調節各路電流 If， 電流誤差小 |
○光衰慢，LED
壽命最長 X 效率差 X 價格最高 |
| 6. LED 燈組驅動架構： |
| 常見的 LED燈具架構多為串聯形式，因為如此可確保 LED 的亮度相等，但即使是同一型號，同一批次的 LED 其順向工作電壓 (Vf ) 都有一定差別。另當工作溫度升高時 LED 順向電壓會下降，這將使其順向電流 (If ) 上升，故必須採用限流電路。常見的架構有以下幾種： |
| •LED
電源供應器直接驅動 如圖 1.7 此架構的成本低且配接簡單，僅需考慮 LED本身特性差異，設計也較為單純；但需選用穩流能力高的 LED 電源供應器 (具定電流模式輸出之機種)，且仍有 LED 每路均流性仍不佳的問題。 矩陣架構的 LED 配接方式可避免因少部分 LED 損壞導致多顆 LED 損壞。使用者基本上不需外加裝限流電阻及 LED 驅動 IC 來平衡每路 LED 電流，選用明緯具備恆流型機種直接配接使用即可。而對於所使用的 LED 需經過篩選，以避免因 LED 順向電壓差距過大，導致分流不均，造成部分 LED 承受電流過大而損壞。 |
 圖 1.7 恆流式電源供應器直接驅動 LED負載 |
| •串接限流電阻驅動
LED 如圖 1.8 此架構的優點在於價格低廉且裝配設計容易，均流程度較電源供應器直接驅動佳，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、且無法準確地控制電流及對 LED無保護等缺點。 |
| 範例： 使用 CLG-150-30(30V/5A) 驅動，串聯 LED 顆數固定 8顆，並聯 8 路為例 |
 圖 1. 8: 恆流式或恆壓式電源供應器搭配電阻驅動 LED負載 |
| •電源供應器搭配線性恆流源驅動
IC電路 如圖 1.9 此架構的成本適中；且 LED 及 LED 電源供應器使用壽命長，電路設計也較為簡單；但此架構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合。 線性恆流源無法自動調節控制電流，均流效果較下述的 PWM 恆流源差，IC 基本結構類似”電阻 + 電子開關”，透過電子開關的導通比，調節 LED 的驅動電流。 |
 圖 1.9 : 恆流式或恆壓式電源供應器搭配線性恆流源驅動 LED負載 |
| •電源供應器搭配
PWM 恆流驅動 IC 電路 如圖 1.10 此線路架構為目前主流的驅動方式，其對電流控制穩流及均流性最佳，LED本身及 LED電源供應器使用壽命長；但相較於其他架構此方式的成本最高，配接複雜性也較高，還需考量 PWM 恆流電路的 EMC高干擾問題，且易有高頻異音。 PWM 恆流源會自動調節控制電以達均流效果，確保各路 LED 有相同的亮度。主要區分為降壓 型、升壓型及升降壓等電路架構，線路上透過和電源供應器一樣的頻寬或頻率調整， 達到控 制恆定電流驅動的目的。 |
 圖 1.10 : 恆流式或恆壓式電源供應器搭配 PWM 恆流源驅動 LED 負載 |
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