隨著LED發(fā)光效率的提升，固態(tài)照明發(fā)展也更趨蓬勃。為使LED固態(tài)照明更具成本效益，業(yè)者除要設(shè)法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量，并整合光、機(jī)、電、熱等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識外，亦須采用具高效率、低成本的固態(tài)照明驅(qū)動器，以打造最佳解決方案。
過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進(jìn)展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟(jì)效益，使得LED制造商會特別關(guān)注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學(xué)、LED和電子學(xué)設(shè)計專門知識，以建立最佳的解決方案。
電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對直流(AC-DC)和直流對直流(DC-DC)電壓管理的拓?fù)湓O(shè)計已有30年的經(jīng)驗。雖然固態(tài)照明光源設(shè)計和電壓管理應(yīng)用不同，但技術(shù)學(xué)習(xí)和電力電子制造專家們都已準(zhǔn)備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動器拓?fù)湟恢痹诟牧寄壳半妷旱恼{(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動器各有特別的需求，激勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對固態(tài)照明驅(qū)動器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。
固態(tài)照明主要和次要的光學(xué)系統(tǒng)，是須要進(jìn)行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學(xué)組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進(jìn)。
減少LED數(shù)量以降低成本
為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。
隨著LED發(fā)光效率的提升，固態(tài)照明發(fā)展也更趨蓬勃。為使LED固態(tài)照明更具成本效益，業(yè)者除要設(shè)法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量，并整合光、機(jī)、電、熱等各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識外，亦須采用具高效率、低成本的固態(tài)照明驅(qū)動器，以打造最佳解決方案。
過去10年來，發(fā)光二極管(LED)的制造商在提升LED功能上快速進(jìn)展。業(yè)界了解到提升LED效能是固態(tài)照明(Solid State Lighting, SSL)特別重要的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟(jì)效益，使得LED制造商會特別關(guān)注LED每瓦能產(chǎn)生的流明(Lumen)量，甚至是每1塊錢所產(chǎn)生的流明量，因此必須整合熱能、光學(xué)、LED和電子學(xué)設(shè)計專門知識，以建立最佳的解決方案。
電力電子和集成電路(IC)制造商在交流對直流(AC-DC)和直流對直流(DC-DC)電壓管理的拓?fù)湓O(shè)計已有30年的經(jīng)驗。雖然固態(tài)照明光源設(shè)計和電壓管理應(yīng)用不同，但技術(shù)學(xué)習(xí)和電力電子制造專家們都已準(zhǔn)備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品，其LED驅(qū)動器拓?fù)湟恢痹诟牧寄壳半妷旱恼{(diào)控方案。交流和直流LED驅(qū)動器各有特別的需求，激勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展針對固態(tài)照明驅(qū)動器市場具備高效率、可靠性和成本效益的解決方案。
固態(tài)照明主要和次要的光學(xué)系統(tǒng)，是須要進(jìn)行成本與效能優(yōu)化的另一部分。比起LED與電子產(chǎn)品，次要的光學(xué)組件所造成流明的損失極小，但仍有改善的必要，而業(yè)界也正持續(xù)改進(jìn)。
減少LED數(shù)量以降低成本
為使固態(tài)照明燈具能得到最大采用，最終解決方案須比現(xiàn)有光源更具備成本效益，而LED是固態(tài)照明解決方案物料清單(BOM)中最貴的組件。因此，固態(tài)照明制造商了解最容易降低系統(tǒng)成本的方法是減少系統(tǒng)中LED數(shù)量，所以促成了LED制造商發(fā)展更高效率、流明度更高的LED。由于電力電子和電源IC是非常成熟的產(chǎn)業(yè)，而且其制造過程都經(jīng)過優(yōu)化，因此僅能節(jié)省極小的成本。
能源之星認(rèn)證影響很大
美國政府推出“能源之星”的認(rèn)證標(biāo)章，旨在保護(hù)消費(fèi)者并確保發(fā)行到市場上照明產(chǎn)品的質(zhì)量。能源之星的基本要求就是終端產(chǎn)品須達(dá)到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設(shè)計要求流明/瓦的范圍在每瓦40～50流明之間。有能源之星認(rèn)證的實驗室可透過產(chǎn)品終端應(yīng)用之標(biāo)準(zhǔn)化程序指針，測試制造商提交的產(chǎn)品，實驗室會檢測流明且記錄輸入功率，可了解產(chǎn)品能否達(dá)到能源之星的要求。
為期盼固態(tài)照明能獲大眾采用，LED制造商在LED的效能方面正努力取得巨大的進(jìn)步。其中，光學(xué)業(yè)界把流明損耗最小化，同時提高產(chǎn)品的光學(xué)功能；至于電力電子和IC制造商則一直進(jìn)行LED驅(qū)動器系統(tǒng)的優(yōu)化，共同致力于固態(tài)照明發(fā)展。
照明系統(tǒng)設(shè)計面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)
隨著照明制造商慢慢減少系統(tǒng)所需的LED數(shù)量，所面臨的問題也正逐漸浮現(xiàn)。雖然減少LED數(shù)量曾經(jīng)對銷售有幫助，但卻也帶給業(yè)界一個無法預(yù)見的技術(shù)挑戰(zhàn)。此問題是在A19/E27改良型燈泡上市后，才第一次被各界所注意到。
假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)里L(fēng)ED數(shù)量減少和LED的流明輸出增加時，LED驅(qū)動器的效率就會提高，或者至少跟過去的設(shè)計類似，然而，卻無法實現(xiàn)，到底是哪里出問題呢？以下將藉由其規(guī)格要求的趨勢演進(jìn)進(jìn)行說明。
電路功率損耗增加 系統(tǒng)穩(wěn)定性成隱憂
60瓦固態(tài)照明白熾燈改良型燈泡要求包括，115VAC(±20%)的輸入電壓、十個LED串聯(lián) (31～36伏特)的輸出電壓、800流明輸出、350毫安(mA)LED順向電流、12.6瓦最大輸出功率、 目標(biāo)功率85%、美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)等級B、符合UL8750、壽命大于5萬小時和系統(tǒng)工作溫度50℃。
而現(xiàn)今的趨勢是增加LED順向電流，即更高功率，并減少系統(tǒng)內(nèi)的LED數(shù)量。期望的規(guī)格改變包括五個LED串聯(lián)(15～17伏特)輸出電壓、700毫安LED順向電流、800流明輸出、11.9瓦最大輸出功率及目標(biāo)效率85%。
雖然輸出功率降低且效率參數(shù)維持在85%，但仍希望每瓦流明量能更大。而現(xiàn)實中，轉(zhuǎn)換器效率下降非常大，導(dǎo)致每瓦的流明減少，所以須要更為注意的是電路內(nèi)功率損耗已增加，這帶來一些設(shè)計和穩(wěn)定性方面的問題，不僅造成能否符合能源之星認(rèn)證的疑慮，由于還須要附加散熱片或包裝材料，因此成本也將隨之增加。
功率損耗隨組件/系統(tǒng)規(guī)格變化
能量轉(zhuǎn)換階段內(nèi)的損耗可以包括傳導(dǎo)、切換與靜態(tài)損耗三類。LED驅(qū)動器內(nèi)的所有硅裝置和被動組件都有電阻，電流通過電阻傳導(dǎo)會產(chǎn)生IRMS2×R的功率損耗。選用不同質(zhì)量和類型的組件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)、二極管及電磁組件，產(chǎn)生的耗損將隨系統(tǒng)規(guī)格不同而變化。
切換損耗發(fā)生在當(dāng)MOSFET或二極管被開啟，其他的MOSFET或二極管卻被關(guān)閉的過渡時期。由于一個轉(zhuǎn)換器在200kHz頻率下工作比在100kHz時的切換損耗多一倍，所以須要評估對操作切換頻率間的折衷方案。在較高頻率的切換所允許的電感系數(shù)比較低，而在特定的規(guī)格下傳導(dǎo)損耗可能也會較低(較低的RDCR)。此外，靜態(tài)功率損耗和內(nèi)部電路的功率也有所關(guān)系。
總體來說，類似的LED驅(qū)動器設(shè)計，也許可以得到一樣的輸出功率(Pout=Iled×Vled-stack)，但這取決于系統(tǒng)內(nèi)的電流、電壓以及組件類型；系統(tǒng)的效率也會有很大的不同。
圖1為典型的脫機(jī)式(AC to Iled)改良型固態(tài)照明燈泡電路，其中，各條件的定義及驅(qū)動器功率耗損計算方式，描述如下：
圖1 關(guān)閉線路(AC至ILED)的改良型固態(tài)照明燈泡優(yōu)化電路圖
D=負(fù)載-周期=
D''''''''=(1-D)
FSW=切換頻率
Q4啟動時的切換損耗→
Q4傳導(dǎo)損耗→
D4傳導(dǎo)損耗是→
L3電感器傳導(dǎo)損耗→
現(xiàn)在所有主要功率損耗都已計算出來，可計算出系統(tǒng)總效率。可用以下方程式表示：
看到功率損耗方程式后，可對固態(tài)照明應(yīng)用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設(shè)，透過降低LED數(shù)量并增加系統(tǒng)電流，流明輸出就可符合規(guī)格要求，但效率可能會降低。因此，應(yīng)該要進(jìn)行詳細(xì)的分析以充分理解設(shè)計的折衷和功率損耗，但須分析幾點(diǎn)因素，找出系統(tǒng)效率降低的原因。首先包括電感器L3的傳導(dǎo)損耗會隨著LED順向電流的增加而增加；其次，如果LED順向電流增加，飛輪二極管的切換損耗也會增加；第三，相對于MOSFET開啟時，在飛輪二極管D4傳導(dǎo)時，其經(jīng)由減少堆棧電壓就可增加時間比例，高壓(HV)二極管比在MOSFET傳導(dǎo)損耗更大，因此，系統(tǒng)中的電力損耗會增加；第四，在增加LED電流的情況下，主開關(guān)MOSFET Q4上的傳導(dǎo)損耗會增加。
規(guī)格、成本還有功能皆是達(dá)到成功設(shè)計的關(guān)鍵，而這些都須從系統(tǒng)層級來因應(yīng)。業(yè)界正研發(fā)兼具功率和成本效益的LED驅(qū)動解決方案，包括LED堆棧電壓(和輸入電壓關(guān)系極小的設(shè)計)。因此，固態(tài)照明系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展已出現(xiàn)明確的方向。
已有業(yè)者分析過很多實驗室里不同驅(qū)動的配置后，得知較高的順向電流、較少的LED數(shù)量導(dǎo)致客戶在申請能源之星認(rèn)證標(biāo)章時，增加很多的困難。LED制造商知道只關(guān)心單顆LED效率是片面且不夠的，必須了解LED在市場上如何被使用，從而配置好LED來協(xié)助達(dá)到具體固態(tài)照明解決方案的優(yōu)化才是上策。而用在改良型A19/PAR燈泡上的LED，與應(yīng)用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭，經(jīng)由和不同領(lǐng)域的專業(yè)設(shè)計團(tuán)隊合作，LED制造商已為終端應(yīng)用開發(fā)出一些特定的LED。
從系統(tǒng)層級考慮設(shè)計 LED應(yīng)用效能大躍進(jìn)
LED制造商已開始開發(fā)LED應(yīng)用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進(jìn)行重新配置，此專用LED的優(yōu)點(diǎn)已在改良型燈泡應(yīng)用中得到認(rèn)可。
原來的MX-6 LED在一個模塊里有六個平行的LED燈源，每個LED都產(chǎn)生150毫安，總電流高達(dá)1,000毫安，此LED的順向電壓為3.2～3.6伏特。
而MX-6S LED內(nèi)的兩個封裝LED是串聯(lián)在一起的。這串組的順向電流高達(dá)115毫安，一個MX-6S封裝LED的順向電壓是在19～22伏特。此封裝內(nèi)的簡化LED配置如圖2所示。
圖2 MX-6與MX-6S的LED配置圖
MX-6和MX-6S的LED是一樣的，設(shè)備的外殼也是相同。這兩個LED的唯一區(qū)別是其內(nèi)部焊接架構(gòu)不同。這個單變項允許對A19固態(tài)照明燈泡應(yīng)用中LED堆棧電壓與普通的LED驅(qū)動進(jìn)行非常好的效能分析。
MX-6/MX-6S比較分析
在對LED堆棧電壓和電流間的分析有幾個目的和標(biāo)準(zhǔn)，包括用不同的LED配置，以在一個固態(tài)照明改良型燈上，進(jìn)行普通LED驅(qū)動器的優(yōu)化；記錄功率損耗及關(guān)鍵組件溫度；在比較此設(shè)計和其他設(shè)計時，記錄所有的成本優(yōu)勢；用效能、實際成本、產(chǎn)能這些衡量指針做參考，建立驅(qū)動器和LED配置建議等目的與標(biāo)準(zhǔn)。
因此，只須用一套便宜的光流量測試系統(tǒng)，就可在兩個設(shè)計中調(diào)整LED電流，以獲得一個特定的照明輸出。進(jìn)而比較產(chǎn)品的相關(guān)功能，藉此可考慮由溫度造成的流明損耗及其實際系統(tǒng)的變項。此外，所有的變項都要小心控制，把誤差最小化，如使用的PAR燈、測量設(shè)備、機(jī)械設(shè)計、散熱器和熱平衡等。
MX-6設(shè)計(圖3)為六組串聯(lián)MX-6 LED，每個LED是133流明/瓦，電流是600毫安。表1則為MX-6的規(guī)格說明。
圖3 MX-6結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
MX-6S設(shè)計(圖4)為六個LED排成的3×2模塊，其總輸出電流是270毫安，每線路是90毫安，每個LED是～133流明/瓦，電流90毫安。表2為MX-6S的規(guī)格說明。
圖4 MX-6S結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
熱能分析與系統(tǒng)可靠性不可忽視
LED驅(qū)動器固定在一個塑料外殼內(nèi)，再放進(jìn)一個普通的PAR38鋁制裝置內(nèi)。驅(qū)動器和LED都是按照典型模式裝在一個PAR38改良型燈泡內(nèi)。MX6S的電流是600毫安，此設(shè)計一開始是六個串連的MX-6 LED排列配置。電解電容器、主開關(guān)場效應(yīng)晶體管(FET)、主整流器二極管和輸出電感會附上一個熱電偶(Thermocouples)。而MX-6S分析則使用相同的設(shè)置/燈泡，重新配置六個MX-6S LED。表3、4則分別為MX-6與MX-6S數(shù)據(jù)一覽。
系統(tǒng)設(shè)計工程師可從這簡單的分析得到結(jié)論，其最須注意的是兩個設(shè)計中LED驅(qū)動器重要組件的溫度差異。此設(shè)計實際成本并不高，但隨之而來的退貨對廠商而言就是災(zāi)難，因為質(zhì)量低劣對公司信譽(yù)會造成嚴(yán)重影響。若制造廠商決定使用一個特定的LED配置，隨后被要求用昂貴的驅(qū)動電子組件來增加功率，或附加額外的散熱片，或包裝材料來確保系統(tǒng)組件符合正確的熱規(guī)格，那真正的成本可能就隨之而來。
電解電容決定驅(qū)動器壽命
在驅(qū)動器設(shè)計壽命里，通常電解電容器才是決定因素。若在設(shè)計時就先注意的話，就可用電解電容器以增加5萬小時的固態(tài)照明應(yīng)用產(chǎn)品壽命。
值得注意的是，每提高電解電容器10℃，就會造成其壽命減半。舉例來說，假設(shè)使用一個105℃，額定壽命1萬小時的電解電容器，預(yù)計可以獲得的溫度是85℃，電容器就可以正常維持4萬小時。如果同樣這個電容所處的工作溫度是95℃，則預(yù)期的壽命就會只有2萬小時，這是非常大的差異。要是使用在較為高壓堆棧的LED燈源，此應(yīng)用的差別還可能會加倍。
高壓堆棧損耗會影響配置一個系統(tǒng)時使用LED數(shù)量的彈性。在實例中，把LED堆棧電壓控制在52伏特，只能使用兩個串聯(lián)的MX-6S LED，因此在如2×1、2×2與2×3等模塊里，會使用雙數(shù)的LED。而科銳和日亞化學(xué)(Nichia)提供類似MX-6S三個串聯(lián)的LED，也許能增加LED配置的可能性。