逐漸取代傳統(tǒng)白熱燈泡與熒光燈的發(fā)光二極管(LED),，具備低污染,、低消費電力、高發(fā)光效率、長壽命、無水銀成分等優(yōu)勢,，它的發(fā)展動向已經(jīng)成為全球關注的焦點。最近幾年隨著LED發(fā)光效率甚至超越傳統(tǒng)熒光燈,，一般認為未來提高照明燈具整體的綜合效率越來越重要,，然而實際上不論是哪種型式的LED燈驅動電路，都會有10~20%左右的消費電力損失,，因此改善電源的轉換效率,，再度成為重要課題。
以往使用AC100V平順化后的DC140V電源方式，極容易發(fā)生突波電流,。所謂「突波電流」突波電流是指開啟電源后,，流入平順化電容器的巨大充電電流。具有平順化電容器,、可以驅動復數(shù)個LED的驅動電路,，點燈時可能會造成斷電器跳脫，此外電源切換器高溫融溶附著,，以及對電路組件的過負載，都可能引發(fā)各種問題,。雖然突波電流抑制電路已經(jīng)實用化,，不過它的電源轉換效率卻很低，因此研究人員使用半導體繼電器(Photo MOS Relay),，開發(fā)LED燈專用的驅動電路,，實現(xiàn)LED驅動電路高效率化的目的。
根據(jù)實驗結果證實90~110V變動的電源電壓,，電源轉換效率高達80.7~91.8%,，而且還能夠降低突波電流。新型LED燈專用驅動電路,，充分發(fā)揮2個半導體繼電器特性,，它具有高效率、低消費電力,、低組件數(shù)量,、低產(chǎn)業(yè)廢棄物與低制作成本等特征。照明燈具即使提高1%的動作效率,，對二氧化碳排放量的抑制,、或是減緩地球暖化都有重大貢獻，因此LED燈專用的驅動電路的發(fā)展,，已經(jīng)受到業(yè)者高度重視,。接著本文要探討使用半導體繼電器突波電流抑制電路的新型LED燈驅動電路動作原理與特征。
LED驅動電路
圖1是新型LED燈專用驅動電路,?？紤]照明燈具整體效率時，電源效率與LED發(fā)光效率同樣重要,?；旧螸ED的順向電壓只有數(shù)V非常低，因此LED燈可以使用各種方法,，轉換AC100~110V電源驅動LED,，然而LED燈專用驅動電路本身，就有各式各樣的特性與問題，接著根據(jù)電源效率的觀點,，透過各種驅動電路的比較,，深入探討各種驅動方式的特征。
驅動方式
驅動方式主要分成三大類,，分別是：(1)降壓,、分壓方式；(2)直接使用AC100~110V方式,；(3)使用DC140V方式,。
有關第(1)項降壓、分壓方式,，本質上LED的順向電壓非常低,，因此可以使用變壓器降壓，或是使用平順化電容器降壓,，類似這樣降壓,、分壓方式，主要缺點是損失非常大,，經(jīng)常高達10~20%,。此外LED高輝度化時，必須提高輸出,、增加電流,，然而電流穩(wěn)定化卻需要使用電流穩(wěn)定化控制電路，其結果反而造成組件使用數(shù)量,、制作成本有增加之虞,。
有關第(2)項，直接使用AC100~110V方式施加至LED燈群,，由于這種方式?jīng)]有任電力何損失,，因此它的電源效率幾乎是100%，目前所有交流驅動LED燈都采用這種方式,。動作時它是直接對LED燈施加半波或是全波波形,，由于這種方式并沒有平順化電路，因此輝度會急遽降低,，嚴重時會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,，此外LED的使用數(shù)量高達2倍，即使如此下列驅動方式同樣會使全光束降低,。
有關第(3)項使用非降壓DC方式,，由于這種方式的AC100~110V未作降壓、分壓,，直接進行全波整流,、平順化取得DC140V的電源,，因此電源效率非常高，可以施加到LED燈群的電壓也超過100V,。非降壓DC方式通常是串聯(lián)連接LED,，它可以獲得非常明亮的照明，不過這種方式使用大靜電容量的平順化電容器,，因此會有許多突發(fā)電流流動,。
驅動方式的比較
表1為上述驅動方式的比較結果一覽。
突波電流抑制電路
表1中的非降壓DC型驅動方式,，主要缺點會有突波電流的困擾,。如上所述所謂「突波電流」是指開啟電源后，流入平順化電容器的巨大充電電流,。突波電流經(jīng)常成為斷電器跳脫,、或是對電路組件造成過負載的主要原因，如圖2所示為抑制突波電流,，類似電阻串聯(lián)連接至平順化電容器等方法都非常有效，然而突波電流是過渡期間發(fā)生的現(xiàn)象,，過渡期間以外的恒定狀態(tài),，抑制突波電流的電阻，反而會引發(fā)不必要的電力損失,。為削減恒定狀態(tài)時的額外電力損失,，以往大多使用熱敏型(Thermist)或是閘流體型(Thyristor)構成的電流抑制電路，不過這類電路卻成為提升電源效率的主要障礙,。
突波電流抑制電路的必要性
電荷未滯留在平順化電容器時,，切換器一旦變成ON，為了滯留電荷會有很大的突波電流流動,，反過來說無突波電流抑制電路的場合,，理論上該值會變成無限大。新開發(fā)的電路會先使電源電壓以DC140V流入LED,，接著再使用220μF使平順化電容器,，能夠以最大電流155mA動作。
圖3是測試突波電流的實驗電路,，根據(jù)測試結果顯示突波電流的最大值為36A,。為測試電流本電路刻意附加1Ω的電阻，不過實際上卻是0Ω,，換句話說可能有更多的電流流動,，類似這樣過大電流流動會引發(fā)上述弊害，因此必須設置突波電流抑制電路,。
各種突波電流抑制電路
傳統(tǒng)突波電流抑制電路大多使用熱敏型,、閘流體型,，或是半導體繼電器型，新開發(fā)的LED燈專用驅動電路,，則改用半導體繼電型突發(fā)電流抑制電路,。接著介紹各種突波電流抑制電路的特征。
熱敏型
使用熱敏型主要目的是取代突波電流抑制用電阻,，所謂「熱敏型」是指連接熱敏電阻的方法,。圖4是熱敏阻型抑制突波電流控制電路圖，動作原理突波電流造成溫度上升的同時,，電阻熱敏的阻抗值會自動下降,，如此就可以減少恒定狀態(tài)時的電力損失。不過這種方式切斷電源立即再開啟時,，熱敏電阻的溫度受到預熱影響,，會持續(xù)維持上升狀態(tài)，因此同樣有發(fā)生大突波電流之虞,。
閘流體型
閘流體型是將閘流體與突波電流抑制用電阻并聯(lián)設置,，恒定狀態(tài)時使閘流體變成ON狀態(tài)，在此同時使突發(fā)電流抑制用電阻旁通,，藉此削減電力損失,。圖5是閘流體型抑制突發(fā)電流控制電路圖，本電路為了使閘流體ON,、OFF,，必須使用控制電路與控制電路用電源。雖然這種方式可以削減突波電流抑制用電阻的電力損失,，不過突波電流控制電路還本身會是會消費電力,，因此效率實際上并不如預期理想，此外隨著組件使用數(shù)量增加,，電路封裝面積與制作成本同樣有上升之虞,。
半導體繼電器型
圖6是新開發(fā)的半導體繼電器型抑制突波電流控制電路圖，本電路使用半導體繼電器旁通突波電流抑制用電阻,。半導體繼電器的消費電力很小,，恒定狀態(tài)時的損失非常微量，若與LED燈單元并聯(lián)設置半導體繼電器的輸入端,，就可以省略上述閘流體型的突波電流抑制電路用電源與控制電路,，有效減少恒定狀態(tài)時的電力損失。此外半導體繼電器的輸入端與輸出端呈電氣性絕緣,，因此電路設計很容易,、電路結構非常簡易，而且可以有效抑制電路封裝面積的增加,。表2是以上三種突波電流控制電路的比較一覽,。
動作特征
如圖1所示新型LED燈專用驅動電路是由下列單元構成,，分別是：電源單元、定電流電路單元,、定電流電路單元,、LED燈單元。電源單元如上所述,，首先將AC100V作全波整流,，接著進行平順化就能獲得DC140V，不過考慮AC100V±10V的變動,，因此實際上會變成DC140V±10V,。接著介紹：定電流電路的動作原理、突發(fā)電流抑制電路的動作原理,、電源效率,、啟動時間。
定電流電路的動作原理
圖7的定電流電路是圖1中LED穩(wěn)定驅動的定電流電路單元實際電路圖,，本電路使用齊納二極管制作定電壓,，接著將定電壓施加至FET的VGS使定電流流動。此外本電路還利用定電流二極管,，提供齊納二極管定電流制作更穩(wěn)定的電壓,，圖中的R是電流檢測用電阻，當FET過熱電流IF增加時,，它能夠發(fā)揮降低VGS,、抑制電流IF,，提高對熱的穩(wěn)定性,。R是可變電阻，改變阻抗值可以進行電流的微調(diào),，觀察實際電路動作時,，可以發(fā)現(xiàn)定電流電路單元的動作電壓VCRC大約是3.9V左右。
突發(fā)電流抑制電路的動作原理
圖8是圖1中的突波電流抑制電路單元實際電路圖,，本電路使用半導體繼電器使抑制突波電流的電阻RS0旁通,。啟動電源時利用RS0減輕突波電流，恒定狀態(tài)時則利用半導體繼電器旁通,，藉此削減不必要的消費電力,。此外半導體繼電器的輸入端并連連接在平順化電容器，以VC為基準微調(diào)切換Rspin1與Rspin2,。
圖9是抑制突波電流時IS的電流波形,；圖10是抑制突波電流時VS、VC的電壓波形,，如圖所示在本電路流動的電流IS,，不論有無半導體繼電器都呈一定狀態(tài),，一般認為主要原因是VS的電壓差，相對變更電力差所造成,。換句話說,，只要賦予半導體繼電器動作順序，就能夠使VS變小同時削減電力,，如果半導體繼電器只有一個,，VS的合成阻抗與電力都會增加，此時為抑制電力消費,，理論上只要降低RS1即可,，不過突波電流會增加，為同時兼顧這兩個條件,，最后決定使用2個半導體繼電器,。
接著計算RS0、RS1,、RS2各電阻值,。此處假設此時電荷未滯留在平順化電容器，亦即VC=0V,、VS=140V,，突波電流最大值為1A。首先計算RS0值：RS0＝VS/突波電流最大值=140V/1A=140Ω,。
為避免突波電流超過1A,，刻意使RS0具備一定裕度，因此將RS0設定成150Ω,，此時恒定狀態(tài)的VC實測值為120V,，VS的最大值變成140V-120V=20V。雖然RS0與RS1的合成阻抗變成(RS0/RS1)=20V/1A=20Ω,，不過基于安全考慮,，同樣使最大電流具備一定裕度，因此將RS0/RS1設定成30Ω,，如此一來：RS1=1/(1/30-1/150)=37.5Ω,。
最后決定將RS1設定成38Ω。RS0與RS1分別設定成150Ω,、38Ω時,，恒定狀態(tài)的VC實測值為130V，VS的最大值變成140V-130V=10V,。RS0,、RS1、RS2的合成阻抗變成(RS0/RS1/RS2)=10V/1A=10Ω,，基于安全考慮,，刻意使最大電流備1.5倍的裕度,，因此RS0/RS1/RS2設定成10Ω×1.5=15Ω，RS2=1/(1/145-1/30)=30Ω,，RS2設定成30Ω,。
電源效率
所謂電源效率是指所有LED的消費電力。根據(jù)實驗結果顯示新型LED燈驅動電路電源電壓,，在90~110V范圍變動時,，能夠獲得80.7~91.8%的電源效率。圖11是實驗模塊實際外觀,；表3是驅動電路的輸入電壓,、輸入電力（交流）特性、輸出電壓,、輸出電力（直流）特性,、照度特性、全光束特性的測試結果,。其中輸出電力是根據(jù)“輸出電壓×輸出電流”算出,；電源效率是根據(jù)“輸出電力∕輸入電力”算出。
圖12~14分別是輸入電壓變動時的輸出與輸入端的消費電力,、電源效率,、全光束、照度特性的測試結果,。如圖12所示輸出電力呈現(xiàn)飽和狀態(tài),，主要原因是定電流電路發(fā)生作用，防止大量電流在LED內(nèi)部流動所致,。輸入電壓若超越額定值越多,，在定電流電路單元電壓下降相對越大，如圖13所示此時電源效率越差,，反過來說輸入電壓越低,，電源效率越高,。
如圖13,、圖14所示輸入電壓越低，照度與全光束隨著降低,，此處刻意減少LED的顆數(shù),，輸出電力的飽和領域，從輸入電壓90V處開始設定,，此時隨著電壓變動全光束的變化會減少,，不過電源效率在全領域卻相對變少，雖然增加LED的顆數(shù),，整體的電源效率會提高,，然而隨著電壓變動,，全光束的變化卻非常明顯。研究人員認為兩者的妥協(xié)點與實際上以100V動作的機率很高,，因此最后選擇能夠從100V附近進入輸出電力飽和領域的條件進行實驗,。
啟動時間
新型LED燈驅動電路，從開啟電源一直到LED點燈為止,，有所謂的時間間隔(Time lag),，主要原因是開啟電源時，受到生突波電流抑制電阻的影響,，造成平順化電容器C充電時必須花費相當時間,，電流流到LED時出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。由此可知啟LED的動時間,，基本上取決于平順化電容器與突波電流抑制電阻構成的RC電路時定數(shù),。
此外新型LED燈驅動電路使用交流電進行全波整流充電，因此實際啟動時間比直流電更遲緩,。如圖10所示,，新型LED燈驅動電路的啟動時間低于0.2，傳統(tǒng)熒光燈的啟動時間大約2~3秒,，相較之下前者的啟動時間非?？欤瑤缀鯚o法察覺新型LED燈驅動電路的啟動時間延遲,。
結語
半導體繼電型突波電流抑制電路構成的新型高功率LED燈驅動電路,，可以有效削減不必要的電力消費，90~110V的電源電壓,，10~20W的輸出電力,，電源效率高達80.7~91.7%，而且還可以降低突波電流,，點燈時的電流降至1A以下,，因此斷電器完全沒有跳脫之虞。一般認為今后照明用LED,，可望朝復數(shù)LED封裝化,、高發(fā)光效率方向發(fā)展，屆時LED順向電壓變高后,，未作降壓,、分壓直接使用DC140V的高功率LED燈驅動電路勢必受到重視。