LED驅(qū)動器電壓選擇實務(wù)與實際應(yīng)用
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文: 藍(lán)樺/歐洲明緯工程部
在燈具設(shè)計中，如何估算 LED的電壓，是一門看似簡單卻需要注意許多細(xì)節(jié)的學(xué)問。首先，每顆工廠產(chǎn)出的LED，即使在相同條件下測試，順向偏壓或多或少都會有些差異。其次，LED電壓還會隨著溫度而變化。想要確保燈具的使用性及信賴性，我們必須了解幾個會影響LED電壓的因素，適當(dāng)?shù)脑u估誤差值，才能正確選擇驅(qū)動器的輸出電壓規(guī)格。本篇文章分別介紹三個影響LED電壓的最大因素，簡要的說明考慮點及預(yù)估。此外，針對溫度的影響，新型LED電源具備了環(huán)境適應(yīng)功能，這對燈具設(shè)計有何好處也會在以下說明。文章最末，會提供一個完整設(shè)計考慮的例子供參考。一般燈具設(shè)計都會牽涉到光學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)。燈具的主要目的當(dāng)然是要滿足應(yīng)用環(huán)境對光的要求，像是照度或是色溫等等。要滿足這些要求，首先LED的型號、種類、數(shù)量及驅(qū)動電流必須先定義。當(dāng)以上條件決定后，每個單顆的LED驅(qū)動條件基本上已設(shè)定完成，燈具整體功率也隨之固定。然而燈具整體的電壓和電流，取決于設(shè)計者如何排列組合LED，可是全部串聯(lián)，或是有串聯(lián)有并聯(lián)，而這部分的考慮通常與安規(guī)要求的最高電壓或是LED模塊化的設(shè)計有關(guān)。燈具整體概略電壓可由下列公式得出。
Vforward_total = Vforward x Num/String
上述公式相對簡單并可提供設(shè)計者一個概略方向，但對燈具的最終設(shè)計來說，卻有所不足。完整的設(shè)計考慮至少還需注意到以下三點：
1) LED 的V-I特性
2) LED的生產(chǎn)差異
3) LED的溫度系數(shù)
以下分三段做說明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲線如圖一所示，LED電壓不受流過電流影響。然而實際上，LED的驅(qū)動電流是會影響LED上的電壓。以圖二為例，當(dāng)LED操作在350mA時，電壓約3.2V，當(dāng)操作在1A時， 電壓會升到3.8V。單顆的小壓差在多顆LED串聯(lián)時會變得更明顯。設(shè)計者需注意LED規(guī)格書上標(biāo)稱電壓測試的電流條件是否與燈具設(shè)計一致。如果燈具采用的是另一個電流，或是電源的紋波電流峰值變化較大，則應(yīng)根據(jù)V-I特性曲線重新估算電壓值。
LED 生產(chǎn)差異
LED的順向偏壓會有一定程度的生產(chǎn)差異。一條成熟的LED生產(chǎn)線通常差異會較小并呈常態(tài)分布，如圖三。生產(chǎn)差異對LED電壓的影響通常小于10%，這可以從LED 規(guī)格書上參考電壓的最大值與標(biāo)準(zhǔn)值比例看出。確切的數(shù)值或是分布曲線則必須詢問LED制造商。
雖然說最極端的狀況可能是 +/- 10%，但實際上使用時，越多LED在同一串，機(jī)率上越有可能接近中間值。如果客觀條件允許，通常建議電源保留10%的余裕，一來可確保驅(qū)動電流不受LED的生產(chǎn)差異影響，二來即使沒用到此區(qū)間，將電源少許降載也對延長電源壽命有所幫助。
圖三 LED Vf 生產(chǎn)常態(tài)分布
1) LED 的V-I特性
2) LED的生產(chǎn)差異
3) LED的溫度系數(shù)
以下分三段做說明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲線如圖一所示，LED電壓不受流過電流影響。然而實際上，LED的驅(qū)動電流是會影響LED上的電壓。以圖二為例，當(dāng)LED操作在350mA時，電壓約3.2V，當(dāng)操作在1A時， 電壓會升到3.8V。單顆的小壓差在多顆LED串聯(lián)時會變得更明顯。設(shè)計者需注意LED規(guī)格書上標(biāo)稱電壓測試的電流條件是否與燈具設(shè)計一致。如果燈具采用的是另一個電流，或是電源的紋波電流峰值變化較大，則應(yīng)根據(jù)V-I特性曲線重新估算電壓值。
| Characteristics | Unit | Minimum | Typical | Maximum |
| Forward voltage (@350mA, 85°C) | V | 3.2 | 3.48 |
表 一 規(guī)格書Vf參數(shù)
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| 圖一 理想V-I曲線 | 圖二 實際V-I曲線 |
LED 生產(chǎn)差異
LED的順向偏壓會有一定程度的生產(chǎn)差異。一條成熟的LED生產(chǎn)線通常差異會較小并呈常態(tài)分布，如圖三。生產(chǎn)差異對LED電壓的影響通常小于10%，這可以從LED 規(guī)格書上參考電壓的最大值與標(biāo)準(zhǔn)值比例看出。確切的數(shù)值或是分布曲線則必須詢問LED制造商。
雖然說最極端的狀況可能是 +/- 10%，但實際上使用時，越多LED在同一串，機(jī)率上越有可能接近中間值。如果客觀條件允許，通常建議電源保留10%的余裕，一來可確保驅(qū)動電流不受LED的生產(chǎn)差異影響，二來即使沒用到此區(qū)間，將電源少許降載也對延長電源壽命有所幫助。
圖三 LED Vf 生產(chǎn)常態(tài)分布
LED 溫度系數(shù)
LED電壓屬于負(fù)溫度系數(shù)，這意指當(dāng)溫度上升時電壓會下降，反之，溫度低時電壓相對高。燈具的熱流設(shè)計通常會平衡LED的自發(fā)熱，因此在穩(wěn)態(tài)的時候，LED的溫度及電壓也相對固定。對電壓而言，最嚴(yán)苛的條件會落在燈具冷啟動時。LED規(guī)格書表格中的電壓通常都設(shè)定在常態(tài)工作溫度，若需估算冷啟動電壓，則需參考V-T曲線或是利用LED制造商提供的工具軟件輸入?yún)?shù)(Tj)而得。
溫度系數(shù)與前面兩個因素(電流、生產(chǎn))最大的差異是，溫度對電壓的影響是暫時性的。當(dāng)LED啟動后， 因自身發(fā)熱，電壓會逐漸降低回到正常位準(zhǔn)。也就是說，電源其實不需要無條件地保留冷啟動所需要的電壓余裕，只需在啟動后一小段時間，暫時性的提高輸出電壓范圍。
市面上有部分進(jìn)階機(jī)種提供了環(huán)境自適應(yīng)功能，允許驅(qū)動時檢測和自動調(diào)節(jié)輸出電壓電流，在燈具達(dá)到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)后進(jìn)入恒流區(qū)域。HLG-480H-C系列就具備此項功能，電源可以自動降低電流并提高電壓最多到120%，以確保燈具在低溫時能順利開啟，當(dāng)燈具開啟并升溫后，電流自動回復(fù)到原始設(shè)計值。這樣的設(shè)計可確保燈具低溫開機(jī)，同時不影響電源的壽命，設(shè)計者也不需要多花預(yù)算選用較高功率的電源來確保開機(jī)的短暫需求。舉一個實際的數(shù)字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低溫(如 - 40°C)時，可提供高達(dá)412V的瞬時電壓直到燈具進(jìn)入穩(wěn)定工作。
圖四 V-T曲線
HVGC的constant power 系列也有類似功能，用戶可經(jīng)由調(diào)光控制，暫時性的降低電流并提升最高輸出電壓。其它機(jī)種也有許多可能性，如您有關(guān)于LED冷啟動的相關(guān)問題，歡迎詢問各地明緯電源專家。
電壓計算范例:
某燈具共使用100顆LED驅(qū)動在1.05A，燈板上2并50串，燈具裝置的最低環(huán)溫是0°，設(shè)計者應(yīng)如何決定合適的LED電源？
方式一：詢問LED制造商有無工具軟件可以使用，將參數(shù)輸入，直接得到答案。
方式二：從LED 規(guī)格書，參考相關(guān)數(shù)據(jù)得到答案。
LED電壓屬于負(fù)溫度系數(shù)，這意指當(dāng)溫度上升時電壓會下降，反之，溫度低時電壓相對高。燈具的熱流設(shè)計通常會平衡LED的自發(fā)熱，因此在穩(wěn)態(tài)的時候，LED的溫度及電壓也相對固定。對電壓而言，最嚴(yán)苛的條件會落在燈具冷啟動時。LED規(guī)格書表格中的電壓通常都設(shè)定在常態(tài)工作溫度，若需估算冷啟動電壓，則需參考V-T曲線或是利用LED制造商提供的工具軟件輸入?yún)?shù)(Tj)而得。
溫度系數(shù)與前面兩個因素(電流、生產(chǎn))最大的差異是，溫度對電壓的影響是暫時性的。當(dāng)LED啟動后， 因自身發(fā)熱，電壓會逐漸降低回到正常位準(zhǔn)。也就是說，電源其實不需要無條件地保留冷啟動所需要的電壓余裕，只需在啟動后一小段時間，暫時性的提高輸出電壓范圍。
市面上有部分進(jìn)階機(jī)種提供了環(huán)境自適應(yīng)功能，允許驅(qū)動時檢測和自動調(diào)節(jié)輸出電壓電流，在燈具達(dá)到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)后進(jìn)入恒流區(qū)域。HLG-480H-C系列就具備此項功能，電源可以自動降低電流并提高電壓最多到120%，以確保燈具在低溫時能順利開啟，當(dāng)燈具開啟并升溫后，電流自動回復(fù)到原始設(shè)計值。這樣的設(shè)計可確保燈具低溫開機(jī)，同時不影響電源的壽命，設(shè)計者也不需要多花預(yù)算選用較高功率的電源來確保開機(jī)的短暫需求。舉一個實際的數(shù)字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低溫(如 - 40°C)時，可提供高達(dá)412V的瞬時電壓直到燈具進(jìn)入穩(wěn)定工作。
圖四 V-T曲線
HVGC的constant power 系列也有類似功能，用戶可經(jīng)由調(diào)光控制，暫時性的降低電流并提升最高輸出電壓。其它機(jī)種也有許多可能性，如您有關(guān)于LED冷啟動的相關(guān)問題，歡迎詢問各地明緯電源專家。
電壓計算范例:
某燈具共使用100顆LED驅(qū)動在1.05A，燈板上2并50串，燈具裝置的最低環(huán)溫是0°，設(shè)計者應(yīng)如何決定合適的LED電源？
方式一：詢問LED制造商有無工具軟件可以使用，將參數(shù)輸入，直接得到答案。
方式二：從LED 規(guī)格書，參考相關(guān)數(shù)據(jù)得到答案。
- 步驟一： 查閱LED V-I曲線， 訂出中間值電壓
- 步驟二：50串所以總電壓為單顆的50倍
3.8 (V) x 50 (pcs) = 190 V
- 步驟三：考慮生產(chǎn)誤差
b. 3.48 (V) / 3.2 (V) = 108.75 %
c. 190 (V) x 108.75% = 206.6 (V)
小結(jié):
LED 穩(wěn)態(tài)時總電壓中間值為 190V。
LED穩(wěn)態(tài)時總電壓最高值為207V* (假設(shè)LED電源紋波電流極小可忽略)。
LED穩(wěn)態(tài)時總電壓最高值為207V* (假設(shè)LED電源紋波電流極小可忽略)。
- 步驟四：參考溫度系數(shù)
從圖四看出, LED (350mA) 在85°C的時候是3.2V, 0°C的時候是3.6V
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷啟動時
LED 總電壓中間值為190V x 1.2 = 228 V
LED 總電壓最高值為207V x 1.2 = 248.4 V
LED 電源選用
建議機(jī)種 HLG-480H-C2100，原因如下述。
燈具穩(wěn)態(tài)時一般會操作在190V / 2.1A (399W)條件下，最差狀況是207V (435W)。此條件HLG-480H-C2100皆可滿足。同時它的紋波電流機(jī)低可以忽略。冷機(jī)時，最高電壓會到249V，這雖然不在它的固定輸出范圍內(nèi)，但它的環(huán)境自適應(yīng)功能可提供最高275V的瞬時電壓，可保證開機(jī)的穩(wěn)定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的機(jī)種。
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷啟動時
LED 總電壓中間值為190V x 1.2 = 228 V
LED 總電壓最高值為207V x 1.2 = 248.4 V
LED 電源選用
建議機(jī)種 HLG-480H-C2100，原因如下述。
燈具穩(wěn)態(tài)時一般會操作在190V / 2.1A (399W)條件下，最差狀況是207V (435W)。此條件HLG-480H-C2100皆可滿足。同時它的紋波電流機(jī)低可以忽略。冷機(jī)時，最高電壓會到249V，這雖然不在它的固定輸出范圍內(nèi)，但它的環(huán)境自適應(yīng)功能可提供最高275V的瞬時電壓，可保證開機(jī)的穩(wěn)定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的機(jī)種。