LED設計及電源使用注意事項

NOTE 1.1

LED基本原理

LED是一個具有二極管電子特性且會發(fā)光的半導體組件,其利用順向電流(forWard current)流通經(jīng)半導體p-n結(jié)耦合處,再由半導體中分離之電子與電洞兩種載子相互結(jié)合后,產(chǎn)生光子發(fā)射,不同種類的LED能夠發(fā)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(fā)展則是在藍光LED上涂上熒光粉,將藍光LED轉(zhuǎn)化成白光LED產(chǎn)品,其電壓-電流特性曲線與一般二極管特性接近,請參閱下列附圖1.1.

 

圖1.1 LED 電壓-電流相對特性曲線

一般使用于照明用途多以白光LED為主,其亮度正比于流經(jīng)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?qū)妷篤F多在3.0~3.5V之間,功率多以0.5/1/3W為主。
 

NOTE 1.2

LED應用

LED具有熱源少、操作環(huán)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(fā)光效率顯著提升,已開始成為主照明系統(tǒng)選用的光源之一,所應用的范疇可涵蓋建筑(洗墻燈、外墻裝飾燈、庭園燈、探照燈、階梯燈、陽臺燈等)、戶外(路燈、公園燈、柱燈等)、商業(yè)(辦公室照明、廣告照明、展示柜照明等)、及居家(廚柜燈、立燈、桌燈、崁燈等)等照明相關應用。
 

NOTE 1.3

LED壽命與可靠度

LED因?qū)僖环N固態(tài)半導體組件,于正常設計范圍內(nèi)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(tǒng)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(qū)動方式的設計考慮,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(qū)動電源的選擇及散熱結(jié)構(gòu)的設計,將是決定LED應用是否達成節(jié)能環(huán)保、高效率、長壽命的關鍵。




              圖1.2 LED接口溫度與壽命的關系
 

NOTE 1.4

LED驅(qū)動方式

LED之驅(qū)動主要是要產(chǎn)生順向電流 I流過組件,但由于LED非線性的V-I(電壓-電流)曲線特性、溫度及制程對順向電壓(Vf)的變化差異較大,目前一般使用上多采用恒定電壓源(constant voltage (C.V.) source)或恒定電流源(constant current ( C.C.) source)兩種方式作為驅(qū)動LED負載之電源。用恒定電壓源驅(qū)動(C.V.)并不能保證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通常采用恒定電流源(C.C.)來驅(qū)動,如圖(2)所示.恒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(chǎn)生恒定的LED亮度,無論順向電壓如何變化.產(chǎn)生恒定電流源很容易,只需要調(diào)整LED驅(qū)動線路通過電流檢測電阻器的電壓,而不用調(diào)整電源供應器的輸出電壓。

NOTE 1.5

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(tǒng)電源供應器都是提供恒定電壓(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(xiàn)跳動狀態(tài))、定電流模式(輸出電流恒定于一固定值,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于異常狀態(tài),一般并不適合讓電源供應器長時間工作于此狀況下.明緯LED電源供應器家族中之LPV系列與LPH/LPC-18系列即屬于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(qū)動IC(圖1.5),或串接限流電阻(圖1.4)




而一般所謂可提供恒定電流(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于一固定值(接近于規(guī)格書上的額定電流),唯一不同點為: LED電源供應器于定電流(C.C.)模式(或保護)時屬正常工作狀態(tài),零件的選用及設計皆已考慮能長時間提供此恒定電流輸出。一般只有在系統(tǒng)設計為〝電源供應器直接驅(qū)動LED〞時才會使電源供應器工作于定電流狀態(tài)下(如圖1.3)。



                 圖1.6: 典型定電流LED電源供應器之I-V特性曲線圖


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(qū)間依不同之線路設計會有所差異.如上圖,當輸出電壓保持于50%額定值以上時才處于定電流模式下,故輸出串接之LED的VF值總和須大于此界線值;若輸出串接之LED的VF值總和小于50% 額定輸出電壓,此時電源供應器就會進入Hiccup區(qū)間,便無法用于驅(qū)動LED.目前明緯LED電源供應器大多數(shù)為定電流輸出機種,且都會于規(guī)格書上標示合適之LED工作區(qū)間(Constant current range),依不同線路設計此區(qū)間可為3V~100%VO、9V~100%VO 、70%~100%VO不等(PFC機種因另需考慮符合Harmonic Class C,此區(qū)間之下限值可能到達75%之額定輸出電壓).燈具系統(tǒng)設計者若采用電源供應器直接驅(qū)動LED時,需于串聯(lián)LED顆數(shù)上考慮此合適工作區(qū)間,以免無法使用。

事實上,明緯具定電流輸出功能之LED電源供應器大多具有C.V.+C.C.之特性(實際特性曲線,請參閱機型規(guī)格書),也就是說他們在未到達定電流區(qū)間之前可工作于〝定電壓(C.V.)模式〞,適合搭配LED驅(qū)動IC或串接限流電阻使用;而到達定電流區(qū)間后則工作于〝定電流(C.C.)模式〞,可用于直接驅(qū)動LED之設計.此種C.V.+C.C.之特性可應用于各式LED配置方式中,使得系統(tǒng)設計上更具彈性。


下表為三種常見之LED系統(tǒng)配置優(yōu)缺點比較:


NOTE 1.6

LED燈組驅(qū)動架構(gòu)

常見的LED燈具架構(gòu)多為串聯(lián)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,這將使其順向電流上升,故必須采用限流電路.常見的架構(gòu)有以下幾種:

  • LED 電源供應器直接驅(qū)動,如圖1.7
  • 此架構(gòu)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(wěn)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(gòu)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(qū)動IC來平衡每路LED電流,選用明緯具備恒流型機種直接配接使用即可.而對于所使用的LED需經(jīng)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 恒流式電源供應器直接驅(qū)動 LED負載

  • 串接限流電阻驅(qū)動LED, 如圖1.8
  • 此架構(gòu)的優(yōu)點在于價格低廉且裝配設計容易,均流程度較電源供應器直接驅(qū)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。


    圖1.8: 恒流式或恒壓式電源供應器搭配電阻驅(qū)動LED負載

    范例:
    使用 HLG-150H-30(30V/5A)驅(qū)動,串聯(lián)LED顆數(shù)固定8顆,并聯(lián)8路為例。


    : LED電源供應器額定輸出電壓
    VF  : LED順向工作電壓(本例取3.5V)
    IF:  : LED驅(qū)動電流(本例取625 mA)


  • 電源供應器搭配線性恒流源驅(qū)動IC電路 如圖1.9
  • 此架構(gòu)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(gòu)的成本比限流電阻方式高,線性恒流源消耗功率與電阻方式相同,且不適用于輸入電壓變化大的場合。
    線性恒流源無法自動調(diào)節(jié)控制電流,均流效果較下述的PWM恒流源差,IC基本結(jié)構(gòu)類似”電阻+電子開關”,透過電子開關的導通比,調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動電流。


    圖1.9: 恒流式或恒壓式電源供應器搭配線性恒流源驅(qū)動LED負載

  • 電源供應器搭配PWM恒流驅(qū)動IC電路 如圖1.10
  • 此線路架構(gòu)為目前主流的驅(qū)動方式,其對電流控制穩(wěn)流及均流性最佳,LED本身及LED電源供應器使用壽命長;但相較于其他架構(gòu)此方式的成本最高,配接復雜性也較高,還需考慮PWM恒流電路的EMC高干擾問題,且易有高頻異音。
    PWM恒流源會自動調(diào)節(jié)控制電流以達均流效果,確保各路LED有相同的亮度.主要區(qū)分為降壓型、升壓型及升降壓等電路架構(gòu),線路上透過和電源供應器一樣的帶寬或頻率調(diào)整,達到控制恒定電流驅(qū)動的目的。


    圖1.10: 恒流式或恒壓式電源供應器搭配PWM恒流源驅(qū)動LED

NOTE 2.1

組裝注意事項

如圖2.1步驟一所示,連接LED燈具模塊與明緯電源供應器的輸出端.  
如圖2.1步驟二所示,連接明緯電源供應器至AC電源端

注意:此順序不可顛倒,若是先將電源供應器接上AC電源,再接LED燈具模塊,由于會有瞬間的高突波電流進入LED模塊,如果LED模塊無使用LED驅(qū)動IC而是采直接驅(qū)動的方式,則有可能造成LED燈具模塊內(nèi)之LED因瞬間電流過大損壞。


圖2.1: LED電源供應器組裝說明
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NOTE 2.2

保護功能

明緯LED電源全系列產(chǎn)品皆具有輸入端突波電流(Inrush current)及突波電壓(peak AC)的抑制保護,輸出端短路(Short)、過載(OLP)、過電壓(OVP)等保護功能,部分機型并具有過溫度保護(OTP)功能,請詳閱明緯交換式電源供應器技術手冊。
 

NOTE 2.3

負載對效率的影響

電源供應器在一般的使用條件下,負載的型態(tài)及負載量對電源供應器的效率有一定程度的影響,請參考下列附圖為HLG-150H-48采用LED負載及一般負載下在70%~100%負載間的效率變化,可看出在采用LED負載直接驅(qū)動時,LED串聯(lián)VF電壓的設定越低將會使效率下降,因此設定在85~95%的電壓為較佳的設計考慮。


 

NOTE 2.4

負載對功率因子(PF)的影響

LED電源供應器在不同類型負載下的功率因子(PF)及諧波電流影響,請參考下列附圖說明,MEAN WELL LED電源供應器的設計及調(diào)整在一般條件下,使用LED負載時的PF會較一般負載略差,而LED 串接后Vf電壓的大小,亦會影響PF的高低,因此燈具LED的Vf電壓設定以靠近電源供應器的額定輸出電壓較佳。


NOTE 2.5

LED電源的功因(PF)電路架構(gòu)比較

MEAN WELL 具PFC功能的LED電源供應器在線路設計上采用兩種主要線路架構(gòu),兩種線路架構(gòu)的差異比較及與無PFC線路優(yōu)缺點如下表及方塊圖:


                                         圖2.2: Non PFC 線路方塊圖


                                      圖2.3: Single stage PFC 線路方塊圖


                                 圖2.4: TWo stage PFC 線路方塊圖



*詳細機型可參閱明緯LED電源供應器產(chǎn)品比較表

NOTE 2.6

散熱方式

LED組件的發(fā)光效率其實并不高,約只有30%會轉(zhuǎn)換為可見光,其余70%則轉(zhuǎn)換為熱能,所以散熱的設計考慮非常重要.根據(jù)LED的溫度特性,基本上溫度每上升5℃,光通量就下降3%,可靠度下降10%,故溫升為影響壽命及光衰的主要原因 。

  • 明緯LED電源全系列皆采用自然風冷式散熱,最高工作環(huán)溫皆可達50℃~70℃,  另金屬外殼系列可將機殼熱源導至系統(tǒng)外殼,更可提升整體可靠度.
  • LED電源供應器的壽命與溫度有很大的關系,以HLG-150系列為例在相同負載情形之下,工作溫度越低其壽命越長,而在相同溫度的時候,負載越輕,電源供應器的壽命也會越長,故在選用電源供應器時,建議保留負載的余裕度,以匹配LED壽命較長的特性,其關系如圖2.5所示.


  •                       圖2.5: 電源供應器之負載、溫度及壽命關系圖


    • 由圖2.6可知,以HLG-150H-48為例當環(huán)境溫度上升至一定環(huán)溫(>60度)時,為維持電源供應器的整體溫升及可靠度,其定義的供應負載能力會隨之下降,故工作環(huán)境溫度的選定必須列為設計的重要考慮,建議依據(jù)工作溫度的高低,使用功率、環(huán)境等決定散熱結(jié)構(gòu),或選取適當較低環(huán)溫的位置固定電源供應器。


  •                  圖2.6電源供應器溫升與負載
  •  
     

    NOTE 2.7

    電源輸出電壓、輸出電流調(diào)整

    明緯LED電源供應器部分機型具有輸出電壓/電流可調(diào)功能(灌膠型IP67機型不可調(diào),部份塑料外殼型需打開外殼才能調(diào)整),而金屬外殼 A type機型可由外部調(diào)整,可調(diào)整電壓范圍約有10%或0~ -15%,電流范圍約在50~100%,詳細調(diào)整規(guī)格請參閱機型規(guī)格書。
     

    NOTE 2.9

    系統(tǒng)EMC對策建議

        •  金屬外殼接地:
      •               具有保護性接地(FG),建議電源本體及LED燈體皆與FG連接,可降低整體EMI噪聲干擾.
        •  配線:
      •             輸入及輸出線長依據(jù)客戶應用可能長達數(shù)米,其共模噪聲將非常大,建議于靠近LED燈體端加上共模夾扣鐵心可有效降低此噪聲,AC電源線若過長亦可采此方式對策,請參考附圖4.9.
        • 高突波(SURGE)需求:
      •            于戶外應用環(huán)境因應雷擊突波需求,HLG/HLG-C/HVG/HVGC/CLG等機型在SURGE的耐受可達到4KV或更高,如需更高的SURGE耐受可再外接明緯突波保護器SPD-20,也可以自行外加突波吸收器(ZNR, 470V)或氣體放電管(Gas Tube, 500V)對策,但需考慮整體安規(guī)要求,請參考附圖2.9.



                                      圖2.9: EMI及雷擊(SURGE)對策建議示意圖
         
        • LED模塊具有LED驅(qū)動IC電路:
      •            LED驅(qū)動IC做為恒流(C.C.)驅(qū)動的條件下將可能使EMI的對策更形復雜,由于LED驅(qū)動IC本身即為高頻切換(數(shù)百K~數(shù)MHz)的線路結(jié)構(gòu),因此本身的噪聲抑制更為重要,其PCB布局的配置需重視IC接地大小及輸入輸出的電容及電感配置,一般建議需于電源供應器輸出線到LED驅(qū)動IC線路的PCB加上共模電感(commonchoke)、差模電感(differential choke)及高頻X電容,請參考附圖2.10.

                   
                                                                        圖2.10: LED driver EMI對策建議示意圖