LED技術推動照明領域的一場革命。因結合小型、低功耗、高可靠性和低成本,使得照明可以在不可能使用白熾燈或螢光燈技術的地方實現。因此,LED照明在辦公室、家庭甚至在汽車上激增。

目前固態照明方案的主要缺點不是LED本身,而是提供照明能量的電源。這些開關電源(Switched-Mode Power Supplies;SMPS)的預期壽命比LED短得多,主要是因為它們所含的磁性元件(magnetic components)和電解電容(electrolytic capacitors)的使用壽命。此外,含有風扇等主動(active)冷卻設備的開關電源尤其易受到在初期故障影響,而另一個缺點是SMPS的體積龐大,是電磁干擾(Electro-Magnetic Interference;EMI)的主要原因。考慮到尺寸和有限的照明安裝空間,SMPS不太可能與LED安裝在相同的PCB上,因此需要互連和引線,這是另一個潛在的故障原因。

然而,電力技術和拓撲的最新進展包含交流直接驅動(Direct AC Drive;DACD)電源配置的出現。這種新方法完全無需傳統的SMPS,在成本、體積、使用壽命及可靠性方面提供多種優勢,然而,並不是所有的DACD方案都相同。

DACD拓撲

所有DACD方案的共同之處是輸入橋式整流器(bridge rectifier),使用經典的4個二極體配置,將50/60Hz輸入交流波形(AC waveform),校正為100/120Hz半正弦波(half-sine wave)。峰值振幅(peak amplitude)從110V交流輸入的155V左右變化到230V交流輸入的325V,但原理保持不變。

用於LED驅動的DACD拓撲通常分為兩種配置,每一種都各有優缺點(圖1)。

20181220TA31P1 圖1 典型的DACD拓撲及其主要的特點。

這兩種方法都支援採用單板(single board)方案,而不是SMPS方案所需的雙板方案。分流型(shunt type)DACD採用單片IC,降低物料清單(Bill of Material;BOM)成本,並且還具有可擴充的優點,但散熱性能相對較差。

相比之下,旁路類型(bypass type)傾向於使用多個IC,因而導致更高的BOM成本,這種方法更適合需要許多LED燈串的應用。與分流法相比,雖然擴展性有限,但電氣性能(electrical performance)更好,總諧波失真率(Total Harmonic Distortion;THD)通常小於10%,而分流法為30%左右。

雖然與傳統的開關電源法相比,DACD法有顯著的進步,但並不是驅動現代LED應用的理想方案。目前市場上仍有許多IC的DACD方案,但這些方案在線路電壓調整(line regulation)、散熱性能(thermal performance)、突波電阻(surge resistance)、調光能力和成本方面都能改進。

圖2顯示DACD方案的基本工作模式。當交流線路電壓通過半正弦時,IC內的開關指示電流(ILEDn)照亮每個LED。但這種線性開關法有一個主要的缺點,即高THD。

20181220TA31P2 圖2 基本工作波形和電路圖。

最新的好方法

最新的DACD方案之一是安森美半導體的NCL30170。基於分流拓撲,它提供前述方法的所有優點,包含:是單個IC方案,具有較低的BOM成本及易於擴展功率。此種新方案的一個獨特性是能夠驅動多個外部MOSFET開關,支援多個LED燈串連接,功率能從10W擴展到200W,連接的LED燈串總數和外部開關僅受最高功率水準的限制。

20181220TA31P3 圖3 NCL30170是單輸出、多串、分流DACD方案。

在大多數應用中,儘管電源電壓波動,但LED亮度保持不變是很重要的。通常,DACD驅動器能夠實現±10%的穩壓,而新元件可達到±1%,這是非常顯著的提升,因而確保連接LED的持續光輸出。

新元件用一種特有的方法來調節電流,而不是用於傳統DACD方案的線性方法。電壓觸發點保持不變,但以此種方式調節電流使其不再是一個階梯形狀,因而產生平滑的正弦波電流(sinusoidal current)(圖4右),導致低於10%的極佳THD水準。

20181220TA31P4 圖4 專有的電流平滑/整形提供平滑的正弦波形。

除了極佳的THD,新CACD方案還提供較佳的功率因數校正(Power Factor Correction;PFC)性能,超過0.98。

有效調光的重要性

在許多應用中,能進行LED調光很重要,能透過脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)技術(通常稱為切相)或類比控制來實現。PWM提供大範圍的調光能力,但亦有明顯的缺點,包括閃爍,這已被證實會造成處於這種視線環境的人頭痛,高電頻的PWM調光也會導致在室內使用時產生不受歡迎的聲頻雜訊(audible noise)。

雖然許多DACD方案能調低到10%,新方案能夠提供5%的類比調光,進而滿足具有挑戰性的現代應用需求。該設備在整個亮度範圍內保持穩壓,進而確保即使在低功率下,從LED發出的光仍然保持不變。

對於使用TRIAC的切相調光器,新CACD方案的PWM性能確保照明方案非常適用於改裝應用。

總結

LED照明在目前照明方案中佔很大比重。由於現代應用的低功耗、低成本和小尺寸的要求,將使這比例增長,用更加靈活和通用的LED照明汰換舊的白熾燈裝置亦將是未來成長的重要推力。

直到最近,SMPS一直被用於為LED裝置供電,但存在耐用性和使用壽命的問題,而且體積龐大,使得在受限空間安裝LED方案變得複雜與受限。

近期,DACD已成為一種為LED燈串供電的可行技術。這項技術解決SMPS的許多缺點,特別是耐用性和使用壽命、大小和成本,且未來將大幅促進更多的LED照明裝置。現在,業者開發的新CACD元件有助於交流直接技術提供應用所需的性能、靈活性和耐用性,應用於許多終端市場領域。