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)者除要設法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量,，并整合光,、機,、電,、熱等各領域?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準。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟效益,，使得LED制造商會特別關注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,、LED和電子學設計專門知識，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)電壓管理的拓撲設計已有30年的經(jīng)驗,。雖然固態(tài)照明光源設計和電壓管理應用不同，但技術(shù)學習和電力電子制造專家們都已準備就位,。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品,，其LED驅(qū)動器拓撲一直在改良目前電壓的調(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系統(tǒng),，是須要進行成本與效能優(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。  

　　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)者除要設法提升LED每瓦所產(chǎn)生的流明量,，并整合光,、機、電,、熱等各領域?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準,。而現(xiàn)有的解決方案都不具有經(jīng)濟效益，使得LED制造商會特別關注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,、LED和電子學設計專門知識,，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)電壓管理的拓撲設計已有30年的經(jīng)驗,。雖然固態(tài)照明光源設計和電壓管理應用不同,，但技術(shù)學習和電力電子制造專家們都已準備就位。市場上早期的固態(tài)照明產(chǎn)品,，其LED驅(qū)動器拓撲一直在改良目前電壓的調(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系統(tǒng)，是須要進行成本與效能優(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,。  

　　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,。

   　　能源之星認證影響很大

　　美國政府推出“能源之星”的認證標章，旨在保護消費者并確保發(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)品須達到最小流明/瓦(W)。固態(tài)照明改良型燈泡更換設計要求流明/瓦的范圍在每瓦40～50流明之間,。有能源之星認證的實驗室可透過產(chǎn)品終端應用之標準化程序指針,，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步,。其中,，光學業(yè)界把流明損耗最小化，同時提高產(chǎn)品的光學功能,；至于電力電子和IC制造商則一直進行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)設計面臨嚴峻挑戰(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。  

　　假設當系統(tǒng)里LED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)格要求的趨勢演進進行說明,。  

　　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,，這帶來一些設計和穩(wěn)定性方面的問題，不僅造成能否符合能源之星認證的疑慮,，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,、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MOSFET或二極管被開啟，其他的MOSFET或二極管卻被關閉的過渡時期,。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系。  

　　總體來說,，類似的LED驅(qū)動器設計,，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=負載-周期= 
 
 

D''''''''=(1-D)
FSW=切換頻率

Q4啟動時的切換損耗→

Q4傳導損耗→

D4傳導損耗是→

L3電感器傳導損耗→ 

 
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)照明應用中的堆棧電壓和電流迅速作出的假設,，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,，應該要進行詳細的分析以充分理解設計的折衷和功率損耗,，但須分析幾點因素，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MOSFET Q4上的傳導損耗會增加。  

　　規(guī)格、成本還有功能皆是達到成功設計的關鍵,，而這些都須從系統(tǒng)層級來因應,。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(和輸入電壓關系極小的設計),。因此,，固態(tài)照明系統(tǒng)設計發(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)量導致客戶在申請能源之星認證標章時，增加很多的困難,。LED制造商知道只關心單顆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,，與應用在街燈上及MR16上的LED大相徑庭，經(jīng)由和不同領域的專業(yè)設計團隊合作,，LED制造商已為終端應用開發(fā)出一些特定的LED,。

  　　從系統(tǒng)層級考慮設計　LED應用效能大躍進 

　　LED制造商已開始開發(fā)LED應用的特定產(chǎn)品。其中科銳(Cree)推出的MX-6S LED是從舊型MX-6 LED進行重新配置,，此專用LED的優(yōu)點已在改良型燈泡應用中得到認可,。 
 
　　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)照明燈泡應用中LED堆棧電壓與普通的LED驅(qū)動進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準，包括用不同的LED配置,，以在一個固態(tài)照明改良型燈上,，進行普通LED驅(qū)動器的優(yōu)化；記錄功率損耗及關鍵組件溫度,；在比較此設計和其他設計時,，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準。  

　　因此,，只須用一套便宜的光流量測試系統(tǒng),，就可在兩個設計中調(diào)整LED電流，以獲得一個特定的照明輸出,。進而比較產(chǎn)品的相關功能,，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,、測量設備,、機械設計、散熱器和熱平衡等,。  

　　MX-6設計(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)設計圖

 　　MX-6S設計(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、主開關場效應晶體管(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計中LED驅(qū)動器重要組件的溫度差異,。此設計實際成本并不高,，但隨之而來的退貨對廠商而言就是災難，因為質(zhì)量低劣對公司信譽會造成嚴重影響,。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)動器設計壽命里,，通常電解電容器才是決定因素,。若在設計時就先注意的話，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,，假設使用一個105℃，額定壽命1萬小時的電解電容器,，預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(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,。