看LED電源拓撲如何提升LED照明效能

隨著發光二極管(LED)生產成本下降，使用也越來越普遍，應用范圍由手持裝置到汽車、建筑照明等領域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時)，效率佳(每瓦超過120流明)，并具有近乎實時反應的特性，成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內產生光，而白熱燈泡的反應時間則是200毫秒，因此汽車工業已將LED運用于煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅動LED的折沖情形進行介紹，深入探討適合LED驅動及調光的各種切換式電源拓撲，并詳細說明相關優點。

穩定電流驅動LED維持固定亮度

LED驅動仍面臨許多挑戰，要維持固定的亮度，需要以穩定電流驅動LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰更大。

LED具有順向V-I特性，與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過LED的電流量非常少。超過此閾值之后，電流會以指數方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯電阻的電壓來源模型。不過須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應該改變，以顯現新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會提升裝置溫度，改變順向壓降與動態阻抗，決定LED阻抗時，務必考慮環境的熱度。

如果LED是由降壓穩壓器驅動，除了直流電流之外，LED常會傳導電感的交流鏈波電流，根據所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度，也會增加其功率的消耗，并使結點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立70%的限制作為LED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的15,000小時，延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數值。由于結點溫度是由平均功率所決定，即使出現大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩壓器當中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流(Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。如果是大于此程度相當多的情況，則必須降低供應的交流鏈波電流，以維持結點溫度及操作壽命。在此有一個實用的基本原則，就是結點溫度降低10℃，半導體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設計，因為電感限制的關系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應超過制造商指定的最大安全操作額定值。

LED應用于多種領域需多種電源拓撲支持

表1的信息可供作選擇LED驅動器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅動的LED數目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關的設計參數。大部分的LED驅動電路可分為以下幾種拓撲類別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。