把握3P原则 选出最适合LED驱动器

陈芃羽(Newman Chen),产品经理,
联宝电子股份有限公司(LinkCom USA)

 

近年来科技的进步，已为LED带来优秀的输出流明即可信赖的操作。尽管所有LED灯具随着具设计的复杂度以及灯具尺寸而有所不同，但无论如何所有LED灯具都有一个基本元素 - 直流电电源。事实上，在许多案例中，LED灯具设计过程中，最容易被忽视的部分便是电源驱动器。简单而言，选择具备高品质零件和严谨设计的LED驱动器便能延期整个灯具的使用寿命及保固。

当我们在阅读供应商LED驱动器型录时，供应商LED驱动器型录中充斥许多不同规格的LED驱动器供我们选择。这篇文章将会协助您在特定灯具上找到对的驱动器关键点 ，我们将会透过3P法则 - 电源（Power），解决方案（Package），性能（Performance）选择最适合您的灯具的驱动器。 

 

电源Power

对于每个LED灯具来说，您需要先决定所需总功率和最佳的驱动方案---定电流（CC）或定电压（CV）。在得到顺向电流以及顺向压降数据后，透过运算得出顺向压降及顺向电流的乘积以得到确切的电功率，依据所得之电功率数值选择相符的LED驱动器。

顺向电压（Forward Voltage）

顺向压降会受到以下这两个因素影响­－LED个数和LED排列方式。下图一为常见3种LED线路配置方式：串联，并联以及串并联。

图一:一般常见LED线路配置

 

LED灯矩阵的顺向电流数值是取决于线路上每一颗LED压降的总和。当电压经过每颗LED时，压降的范围大约在1.8〜3.3伏特之间，若灯具上所采用的 蓝光LED时，压降的数值会最接近此范围的最大值。计算出的总伏特数等于整条串联线的数值。

顺向电流（(Forward Current）

设计灯具时，所期望的流明输出数值是必要考虑的元素之一，在LED制造厂的规范书中均详细地提供输出流明数以及电流。

电力供给架构(Power Supply Configuration)

定电压（CV） - 当一家灯具厂同时拥有多种不同LED灯线路设计时，便会选择定电压模式的驱动器，如此便可使驱动器的库存降至最低。另外需注意输出电压是否充足，以免无法满足其所需的最大顺向电压。基于电压是固定的，在此会建议每条LED线上加上限流器（见图二）。但定电压驱动器虽然能够满足不同的需求却无法满足最适效率。

图二：在使用定电压的驱动器时，建议每条LED在线加上限流器。

若希望整个装置能够达到最适效率，那么使用能提供较小电压输出范围和电流的定电流驱动器会是较好的选择。定电流驱动器在设计上通常已包含一个电压限制电路。

 

解决方案Package

翻开型录可以看到许多搭配不同方案的驱动器，像是不同系统配置和状态。应用上举凡建筑、都市、工业、商场照明、零售商展示和家用灯饰。

 

设备配置(System Configuration)

设备配置上首先我们得先问一个最基本的问题－这个LED驱动器是装在由多个装置所组成的单一灯具上吗? 若是的话，通常会采用高功率驱动器，此种高功率驱动器会具有专用的散热片，且不会设计于产品内。

相反的，若是驱动器设计在独立装置中，那在进行整体设计时，需驱动器的摆放位置一并考虑进去。举例来说，若将一般吸顶日光灯管更换为槽型灯，那最佳的方案是选用细长型的驱动器来搭配;若使用灯具为轨道灯则小型的驱动器才是较适选择。

 

设备位置(System Location)

在各种LED灯具中均会搭配LED驱动器，因此LED驱动器必须要求能够适用于不同环境下，无论从室内的壁灯到极具挑战性会受限于湿度的装置（冰箱）甚至是设于户外场所须克服剧烈温差变化或高湿气的设备 （如：户外装置/天井灯）.LED驱动器都必须能克服各种不同环境因子并正常运作提供LED灯具稳定电源。
 
为户外装置所设计LED驱动器，通常会进行防水防尘认证（IP），不同等级的认证所承受的防水与防尘的保护等级不同异物防护等级（IP评级图）是国际公认的标准 标准EN 60529，英国BS EN 60529：1992，欧洲IEC 60509：1989），被应用在许多日常设备中，例如：消费型电力/电子产品。

图三：LED驱动器异物防护等级/户外使用驱动器通常进行IP64以上的认证取决于装至于何种设备中。

当LED驱动器置于景观灯和其他室外装置时，很高机率是会浸泡于水中，因此这类的LED驱动器必须拥有IP-67等级的认证，至于其他会暴露在有水环境但不至于淹没驱动器的情况下（如：应用于广告看板中），取得IP-64等级的认证就已经足够。

在选择户外用的LED驱动器时，除了需要注意泡水及尘土问题外，也需要考虑是否置于极高温或低温环境里，由于通常我们并无法预测驱动器被使用在何种环境之下，所以选择驱动器时，建议挑选工作温度范围较大的。

无论在室外或室内，选择驱动器时还需考虑湿度（冷凝）问题。为防范湿度问题，通常将驱动器灌满胶对策。
 

对于室内设备，温度与湿度两者均为我们要关切的重点。不单只是驱动器而是整个灯具必须要能克服任何的突发状况。举例说明如商场上用于冷藏库中照明装置，于这个环境 下相对湿度将近90％，在完全密封的灯具中，灯具内部环境温度轻易的就能达到60℃。

 

性能Performance

选择正确LED驱动器解决方案对LED驱动器性能会有明显的影响。以下是关于性能所需考虑的几个重点。

操作性能Operational performance

调节节点（Regulation）：LED电源供应器的调节效率很差的话，LED灯呈现上能明显看出效果差异。而一个高品质的LED驱动器在输出调节上通常能够提供至少±5％以上。
 
功率因子（Power Factor）：大部分LED驱动器设计是基于开关电源的拓朴学进行，若设计不妥，可能导致交流电源谐波失真。因此EN61000-3-2要求LED电源供应器的功率因子必须要大于0.9。
 
涟波/闪烁（Ripple / Flicker）：一般LED灯中，电源输出涟波低于30％所造成的影响，人眼是察觉不出异状，但是透过装置观看闪烁状况时，涟波数值必须要低于3％，否则便能够经由装置萤幕上看见波纹。

表一 . 一阶设计与二阶设计性能比较表

线路保护Circuit Protection
高品质LED驱动器通常都会有过电压，过电流，过温的短路保护。此外，品质最好的装置还能针对电压浪涌以及瞬变提供保护。

机构认证Agency Certifications
所有LED驱动器都会经由以下几个单位认证，取得安全规范相关的证书，包含UL和（或）CSA，FCC或具有相同效力的EMI / RFI认证。依据不同国家需要申请的认证亦有所不同 美国采用的是UL的认证，在日本申请的是PSE，若是于欧洲则需要申请TUV/UL，目前已经推出一系列认证项目以促进驱动器于灯具间可替换性，像是Type TL，Type HL及Class P.
 

性能提升Performance Enhancements

LED照明设备比起其他替代光源所需电力明显减少许多，尽管使用的电力较少但仍然具有控制输出光源的功能。最常见为调光以及传感器。

调光（Dimming）：LED调光由驱动器输出以及输入端的控制。在输入端以三端双向可控矽（Triac）跟直流电控制为较常见两种模式，在输出端则以类比输出及 宽度调变（PWM）为较常使用的技术。

举例说明，当白炽灯装置在现有电路中以LED灯具取代，进行改装，便会采用Triac的方式进行调光，要不也亦可采用直流电控制，输入线性10伏特做为讯号源进行调光控制。

输出端的类比控制能够在调光区间调整定电流驱动器的输出。采用1-10伏特当作控制信号源，通常最低控制能够提供1~10％。
目前一调光输出能够接近到全域调光，但是实际上在8％时候便已经达到极限值。使用定电压的驱动器时，PWM对调光也能控制在相同区间内。

传感器（Occupancy sensing）：在California Title 24的规定中，许多商用装置需装上传感器，其他单位也陆​​续新增这样规范。这些功能正被整并进最新推出的LED驱动器版本中。有些是附加辅助电源来提供这些感测器所需的电力，另外也有部分的设计方式是将其整合在大楼中同一系统进行控制，更有些驱动器备有无线控制的设计。
 

重点提醒

LED驱动器选择的激增，使得评估LED驱动器供应商变得更加重要，就像可靠性的评估是任何应用电源首要工作一样。在工程设计阶段，高可靠度驱动器会遵循严谨的设计原则，所以应该特别注意产品的散热设计，电器性能及效率，经由这几个项目来考虑其可靠度。
 
在依据以上3P（电力power，解决方案package，性能performance）原则下选定符合您装置的驱动器后，请务必记得对驱动器进行所有必要的测试。极端温度下使用持久性，湿度测试以及机械测试（包含耐震，耐压与落下测试），以确认能承受在运送过程中所有可能遭受的损害。驱动器还应该进行批量生产，生产可靠度测试(ORT），加速寿命测试（ALT），破坏性物理分析（DPA）以及寿命均值分析（MTBF）。