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(guān)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(qū)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(zhuǎn)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(qū)動復數(shù)個LED的驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動電路，實現(xiàn)LED驅(qū)動電路高效率化的目的。
根據(jù)實驗結(jié)果證實90~110V變動的電源電壓，電源轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(qū)動電路動作原理與特征。
LED驅(qū)動電路
圖1是新型LED燈專用驅(qū)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(zhuǎn)換AC100~110V電源驅(qū)動LED，然而LED燈專用驅(qū)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(qū)動電路的比較，深入探討各種驅(qū)動方式的特征。
驅(qū)動方式
驅(qū)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(guān)第(1)項降壓、分壓方式，本質(zhì)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(jié)果反而造成組件使用數(shù)量、制作成本有增加之虞。
有關(guān)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(qū)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(qū)動方式同樣會使全光束降低。
有關(guān)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(qū)動方式的比較
表1為上述驅(qū)動方式的比較結(jié)果一覽。
突波電流抑制電路
表1中的非降壓DC型驅(qū)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(gòu)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(jié)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(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)動電路是由下列單元構(gòu)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(qū)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(jié)果顯示新型LED燈驅(qū)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(qū)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(jié)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(jié)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(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)域的條件進行實驗。
啟動時間
新型LED燈驅(qū)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(gòu)成的RC電路時定數(shù)。
此外新型LED燈驅(qū)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(qū)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?？?，幾乎無法察覺新型LED燈驅(qū)動電路的啟動時間延遲。
結(jié)語
半導體繼電型突波電流抑制電路構(gòu)成的新型高功率LED燈驅(qū)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(qū)動電路勢必受到重視。