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(fèi)電力、高發(fā)光效率、長壽命、無水銀成分等優(yōu)勢(shì)，它的發(fā)展動(dòng)向已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。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(rèn)為未來提高照明燈具整體的綜合效率越來越重要，然而實(shí)際上不論是哪種型式的LED燈驅(qū)動(dòng)電路，都會(huì)有10~20%左右的消費(fèi)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(dòng)復(fù)數(shù)個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電路，點(diǎn)燈時(shí)可能會(huì)造成斷電器跳脫，此外電源切換器高溫融溶附著，以及對(duì)電路組件的過負(fù)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(shí)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(dǎo)體繼電器(Photo MOS Relay)，開發(fā)LED燈專用的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路高效率化的目的。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)90~110V變動(dòng)的電源電壓，電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80.7~91.8%，而且還能夠降低突波電流。新型LED燈專用驅(qū)動(dòng)電路，充分發(fā)揮2個(gè)半導(dǎo)體繼電器特性，它具有高效率、低消費(fèi)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(dòng)作效率，對(duì)二氧化碳排放量的抑制、或是減緩地球暖化都有重大貢獻(xiàn)，因此LED燈專用的驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體繼電器突波電流抑制電路的新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作原理與特征。

　　LED驅(qū)動(dòng)電路

　　圖1是新型LED燈專用驅(qū)動(dòng)電路?？紤]照明燈具整體效率時(shí)，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(dòng)LED，然而LED燈專用驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，透過各種驅(qū)動(dòng)電路的比較，深入探討各種驅(qū)動(dòng)方式的特征。 

 　　驅(qū)動(dòng)方式 

　　驅(qū)動(dòng)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(xiàng)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(diǎn)是損失非常大，經(jīng)常高達(dá)10~20%。此外LED高輝度化時(shí)，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(xiàng)，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(dòng)LED燈都采用這種方式。動(dòng)作時(shí)它是直接對(duì)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(huì)急遽降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，此外LED的使用數(shù)量高達(dá)2倍，即使如此下列驅(qū)動(dòng)方式同樣會(huì)使全光束降低。

　　有關(guān)第(3)項(xiàng)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(jìn)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(huì)有許多突發(fā)電流流動(dòng)。

　　驅(qū)動(dòng)方式的比較

　　表1為上述驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式，主要缺點(diǎn)會(huì)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(duì)電路組件造成過負(fù)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(huì)引發(fā)不必要的電力損失。為削減恒定狀態(tài)時(shí)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(shí)，切換器一旦變成ON，為了滯留電荷會(huì)有很大的突波電流流動(dòng)，反過來說無突波電流抑制電路的場(chǎng)合，理論上該值會(huì)變成無限大。新開發(fā)的電路會(huì)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(dòng)作。 
 
　　圖3是測(cè)試突波電流的實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示突波電流的最大值為36A。為測(cè)試電流本電路刻意附加1Ω的電阻，不過實(shí)際上卻是0Ω，換句話說可能有更多的電流流動(dòng)，類似這樣過大電流流動(dòng)會(huì)引發(fā)上述弊害，因此必須設(shè)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(dǎo)體繼電器型，新開發(fā)的LED燈專用驅(qū)動(dòng)電路，則改用半導(dǎo)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(dòng)作原理突波電流造成溫度上升的同時(shí)，電阻熱敏的阻抗值會(huì)自動(dòng)下降，如此就可以減少恒定狀態(tài)時(shí)的電力損失。不過這種方式切斷電源立即再開啟時(shí)，熱敏電阻的溫度受到預(yù)熱影響，會(huì)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(shè)置，恒定狀態(tài)時(shí)使閘流體變成ON狀態(tài)，在此同時(shí)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(huì)是會(huì)消費(fèi)電力，因此效率實(shí)際上并不如預(yù)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(dǎo)體繼電器型

　　圖6是新開發(fā)的半導(dǎo)體繼電器型抑制突波電流控制電路圖，本電路使用半導(dǎo)體繼電器旁通突波電流抑制用電阻。半導(dǎo)體繼電器的消費(fèi)電力很小，恒定狀態(tài)時(shí)的損失非常微量，若與LED燈單元并聯(lián)設(shè)置半導(dǎo)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(shí)的電力損失。此外半導(dǎo)體繼電器的輸入端與輸出端呈電氣性絕緣，因此電路設(shè)計(jì)很容易、電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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(dòng)作特征

　　如圖1所示新型LED燈專用驅(qū)動(dòng)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(jìn)行平順化就能獲得DC140V，不過考慮AC100V±10V的變動(dòng)，因此實(shí)際上會(huì)變成DC140V±10V。接著介紹：定電流電路的動(dòng)作原理、突發(fā)電流抑制電路的動(dòng)作原理、電源效率、啟動(dòng)時(shí)間。 

　　定電流電路的動(dòng)作原理

　　圖7的定電流電路是圖1中LED穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的定電流電路單元實(shí)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(dòng)。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(cè)用電阻，當(dāng)FET過熱電流IF增加時(shí)，它能夠發(fā)揮降低VGS、抑制電流IF，提高對(duì)熱的穩(wěn)定性。R是可變電阻，改變阻抗值可以進(jìn)行電流的微調(diào)，觀察實(shí)際電路動(dòng)作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)定電流電路單元的動(dòng)作電壓VCRC大約是3.9V左右。

　　突發(fā)電流抑制電路的動(dòng)作原理 

　　圖8是圖1中的突波電流抑制電路單元實(shí)際電路圖，本電路使用半導(dǎo)體繼電器使抑制突波電流的電阻RS0旁通。啟動(dòng)電源時(shí)利用RS0減輕突波電流，恒定狀態(tài)時(shí)則利用半導(dǎo)體繼電器旁通，藉此削減不必要的消費(fèi)電力。此外半導(dǎo)體繼電器的輸入端并連連接在平順化電容器，以VC為基準(zhǔn)微調(diào)切換Rspin1與Rspin2。 

　　圖9是抑制突波電流時(shí)IS的電流波形；圖10是抑制突波電流時(shí)VS、VC的電壓波形，如圖所示在本電路流動(dòng)的電流IS，不論有無半導(dǎo)體繼電器都呈一定狀態(tài)，一般認(rèn)為主要原因是VS的電壓差，相對(duì)變更電力差所造成。換句話說，只要賦予半導(dǎo)體繼電器動(dòng)作順序，就能夠使VS變小同時(shí)削減電力，如果半導(dǎo)體繼電器只有一個(gè)，VS的合成阻抗與電力都會(huì)增加，此時(shí)為抑制電力消費(fèi)，理論上只要降低RS1即可，不過突波電流會(huì)增加，為同時(shí)兼顧這兩個(gè)條件，最后決定使用2個(gè)半導(dǎo)體繼電器。

　　接著計(jì)算RS0、RS1、RS2各電阻值。此處假設(shè)此時(shí)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(jì)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(shè)定成150Ω，此時(shí)恒定狀態(tài)的VC實(shí)測(cè)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(shè)定成30Ω，如此一來：RS1=1/(1/30-1/150)=37.5Ω。

　　最后決定將RS1設(shè)定成38Ω。RS0與RS1分別設(shè)定成150Ω、38Ω時(shí)，恒定狀態(tài)的VC實(shí)測(cè)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(shè)定成10Ω×1.5=15Ω，RS2=1/(1/145-1/30)=30Ω，RS2設(shè)定成30Ω。

　　電源效率 

　　所謂電源效率是指所有LED的消費(fèi)電力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路電源電壓，在90~110V范圍變動(dòng)時(shí)，能夠獲得80.7~91.8%的電源效率。圖11是實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)際外觀；表3是驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng)時(shí)的輸出與輸入端的消費(fèi)電力、電源效率、全光束、照度特性的測(cè)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(dòng)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(duì)越大，如圖13所示此時(shí)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(shè)定，此時(shí)隨著電壓變動(dòng)全光束的變化會(huì)減少，不過電源效率在全領(lǐng)域卻相對(duì)變少，雖然增加LED的顆數(shù)，整體的電源效率會(huì)提高，然而隨著電壓變動(dòng)，全光束的變化卻非常明顯。研究人員認(rèn)為兩者的妥協(xié)點(diǎn)與實(shí)際上以100V動(dòng)作的機(jī)率很高，因此最后選擇能夠從100V附近進(jìn)入輸出電力飽和領(lǐng)域的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　啟動(dòng)時(shí)間 

　　新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路，從開啟電源一直到LED點(diǎn)燈為止，有所謂的時(shí)間間隔(Time lag)，主要原因是開啟電源時(shí)，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(shí)必須花費(fèi)相當(dāng)時(shí)間，電流流到LED時(shí)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。由此可知啟LED的動(dòng)時(shí)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(shí)定數(shù)。

　　此外新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路使用交流電進(jìn)行全波整流充電，因此實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間比直流電更遲緩。如圖10所示，新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間低于0.2，傳統(tǒng)熒光燈的啟動(dòng)時(shí)間大約2~3秒，相較之下前者的啟動(dòng)時(shí)間非?？?，幾乎無法察覺新型LED燈驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間延遲。

　　 結(jié)語 

　　半導(dǎo)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(dòng)電路，可以有效削減不必要的電力消費(fèi)，90~110V的電源電壓，10~20W的輸出電力，電源效率高達(dá)80.7~91.7%，而且還可以降低突波電流，點(diǎn)燈時(shí)的電流降至1A以下，因此斷電器完全沒有跳脫之虞。一般認(rèn)為今后照明用LED，可望朝復(fù)數(shù)LED封裝化、高發(fā)光效率方向發(fā)展，屆時(shí)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(dòng)電路勢(shì)必受到重視。