中心議題：

• 穩定電流驅動LED以維持固定亮度
• LED應用於不同領域的多種電源拓撲比較

隨著發光二極管(led)生產成本下降，使用也越來越普遍
，應用範圍由手持裝置到汽車
、建築照明等領域。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)，並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運用於煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅動LED的折衝情形進行介紹
，深入探討適合LED驅動及調光的各種切換式電源拓撲，並詳細說明相關優點。

1 穩定電流驅動LED維持固定亮度

LED驅動仍麵臨許多挑戰
，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
，相較於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。超過此閾值之後，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，並使結點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立70%的限製作為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dian流liu的de平ping方fang，加jia上shang由you平ping均jun電dian流liu乘cheng上shang順shun向xiang壓ya降jiang的de數shu值zhi。由you於yu結jie點dian溫wen度du是shi由you平ping均jun功gong率lv所suo決jue定ding，即ji使shi出chu現xian大da量liang的de鏈lian波bo電dian流liu，對dui功gong率lv消xiao耗hao的de影ying響xiang也ye很hen小xiao。舉ju例li來lai說shuo，在zai降jiang壓ya穩wen壓ya器qi當dang中zhong，相xiang等deng於yu直zhi流liu輸shu出chu電dian流liu的de峰feng間jian鏈lian波bo電dian流liu(Ipk-pk=Iout)
，總功率損耗將增加不到10%。ruguoshidayucichengduxiangdangduodeqingkuang
，zebixujiangdigongyingdejiaoliulianbodianliu，yiweichijiedianwendujicaozuoshouming。zaiciyouyigeshiyongdejibenyuanze，jiushijiedianwendujiangdi10℃，半導體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設計，因為電感限製的關係，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應超過製造商指定的最大安全操作額定值。  

2 LED應用於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(qu)動(dong)器(qi)最(zui)佳(jia)切(qie)換(huan)拓(tuo)撲(pu)的(de)參(can)考(kao)。除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)拓(tuo)撲(pu)之(zhi)外(wai)，也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)電(dian)阻(zu)或(huo)是(shi)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)，不(bu)過(guo)這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)通(tong)常(chang)會(hui)耗(hao)用(yong)過(guo)多(duo)功(gong)率(lv)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)
、驅動的LED數目、LED電流、隔離
、電磁幹擾(EMI)限製以及效能
，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。

2.1 降壓穩壓器和升壓轉換器
圖1顯示三個基本電源拓撲的例子
，第一張圖所顯示的降壓穩壓器，可使用於輸出電壓永遠小於輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩壓器改變金屬氧化半導體場效晶體管(MOSFET)的導通時間，以控製進入LED的電流。可越過電阻測量電壓以進行電流偵測；電阻與LED為串聯狀態。驅動MOSFET是本方法在設計上的重大挑戰
，如果從成本及效能的觀點來看
，建議使用須要浮接閘極驅動的N信道FET。N信道FET須要使用驅動變壓器或是浮動驅動電路，兩者都可維持電壓高於輸入電壓。

圖1　供應LED電力的簡易降壓及升壓拓撲[page]

圖1也顯示替代的降壓穩壓器(Buck #2)。在此電路中
，MOSFET的驅動與接地有關

，大幅降低了驅動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監控FET電流，或是與LED串聯的電流偵測電阻。如果采用後者，則須要使用位準移位電路，將此信息送至接地電源，並將簡單的設計複雜化。同樣顯示於圖1中的升壓轉換器，則是在輸出電壓永遠大於輸入時使用。這種拓撲設計容易
，因為MOSFET的de驅qu動dong與yu接jie地di有you關guan

，而er電dian流liu偵zhen測ce電dian阻zu也ye是shi屬shu於yu接jie地di引yin用yong類lei型xing。此ci電dian路lu的de缺que點dian是shi在zai短duan路lu時shi
，無wu法fa限xian製zhi通tong過guo電dian感gan的de電dian流liu
，可ke以yi使shi用yong保bao險xian絲si或huo電dian路lu斷duan路lu器qi，作zuo為wei故gu障zhang保bao護hu裝zhuang置zhi。此ci外wai，還hai有you一yi些xie較jiao複fu雜za的de拓tuo撲pu可ke提ti供gong這zhe類lei保bao護hu。  

2.2 降壓升壓電路
圖2顯xian示shi兩liang種zhong降jiang壓ya升sheng壓ya電dian路lu，可ke在zai輸shu入ru電dian壓ya可ke能neng大da於yu或huo小xiao於yu輸shu出chu電dian壓ya的de情qing形xing下xia使shi用yong。這zhe些xie電dian路lu與yu前qian述shu兩liang種zhong降jiang壓ya拓tuo撲pu有you相xiang同tong的de折zhe衝chong特te點dian，與yu電dian流liu偵zhen測ce電dian阻zu與yu門men極ji驅qu動dong的de位wei置zhi有you關guan。圖tu2的(de)降(jiang)壓(ya)升(sheng)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)
，顯(xian)示(shi)接(jie)地(di)參(can)考(kao)的(de)閘(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)。此(ci)拓(tuo)撲(pu)需(xu)要(yao)位(wei)準(zhun)移(yi)位(wei)電(dian)流(liu)偵(zhen)測(ce)訊(xun)號(hao)，不(bu)過(guo)反(fan)向(xiang)的(de)升(sheng)壓(ya)降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)則(ze)具(ju)有(you)接(jie)地(di)參(can)考(kao)的(de)電(dian)流(liu)偵(zhen)測(ce)及(ji)位(wei)準(zhun)移(yi)位(wei)閘(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)。如(ru)果(guo)控(kong)製(zhi)IC與負輸出有關，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。隻要適當控製IC，即可直接測量輸出電流
，也可以直接驅動MOSFET。

圖2　降壓升壓拓撲中的輸入電壓
，可大於或小於輸出電壓

2.3 升壓或降壓拓撲
降壓升壓的拓撲方式電流相對較高
，舉例來說，如果輸入及輸出電壓相同
，電感及電源開關電流是輸出電流的兩倍以上，這對效能及功率消耗會造成負麵影響。圖3的「升壓或降壓」拓(tuo)撲(pu)可(ke)減(jian)輕(qing)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)，在(zai)此(ci)電(dian)路(lu)中(zhong)會(hui)有(you)一(yi)個(ge)升(sheng)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)，之(zhi)後(hou)則(ze)有(you)一(yi)個(ge)降(jiang)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)高(gao)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)

，升(sheng)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)就(jiu)會(hui)提(ti)供(gong)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)，而(er)降(jiang)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)則(ze)隻(zhi)傳(chuan)遞(di)功(gong)率(lv)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)低(di)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)
，則(ze)降(jiang)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)提(ti)供(gong)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)，升(sheng)壓(ya)功(gong)率(lv)級(ji)傳(chuan)遞(di)功(gong)率(lv)。通(tong)常(chang)降(jiang)壓(ya)及(ji)升(sheng)壓(ya)的(de)運(yun)作(zuo)，會(hui)有(you)一(yi)些(xie)重(zhong)迭(die)的(de)時(shi)間(jian)，因(yin)此(ci)在(zai)變(bian)換(huan)模(mo)式(shi)時(shi)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)死(si)區(qu)(Dead-band)。

圖3　降壓或升壓及SEPIC拓撲提供較高的效能

2.4 SEPIC拓撲
如ru果guo輸shu入ru與yu輸shu出chu電dian壓ya幾ji乎hu相xiang同tong，則ze此ci電dian路lu所suo擁yong有you的de有you利li條tiao件jian
，就jiu是shi開kai關guan與yu電dian感gan電dian流liu幾ji乎hu等deng於yu輸shu出chu電dian流liu，電dian感gan鏈lian波bo電dian流liu也ye會hui有you較jiao少shao的de傾qing向xiang。即ji使shi此ci電dian路lu中zhong有you四si個ge功gong率lv開kai關guan
，通tong常chang仍reng有you顯xian著zhu的de效xiao能neng增zeng進jin現xian象xiang，這zhe是shi電dian池chi應ying用yong的de關guan鍵jian所suo在zai。圖tu3所顯示的SEPIC拓撲所需的FET較少，但是需要更多被動組件。SEPIC拓撲的優勢，在於簡易的接地參考FET及控製電路。此外，雙通道電感可以結合為單耦合電感
，節省麵積與成本。不過和降壓升壓拓撲一樣，SEPIC拓撲的開關電流較「降壓或升壓」及脈衝輸出電流為高，需要能處理大量RMS電流的電容器。  

2.5 返馳轉換器
基於安全考慮

，可能會規定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應用方式下，最節省成本的解決方法就是使用返馳轉換器(圖4)
，在所有的隔離拓撲中，這種作法所需要的組件數量最少。變壓器匝數比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓，設計彈性很大，不過缺點在於電源變壓器基本上是訂製組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中
，也會有高組件應力的情形出現。應用固定燈光時
，可以使用「慢速」的回饋控製循環

，調節LED電流與輸入電壓同相位的情形
，進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調節所需的平均LED電流，並能調節輸入電流與輸入電壓同相位的情形，以提供高功率因子。

圖4　返馳拓撲可以提供隔離及功率因子校正[page]

LED調光技術：藉PWM降低亮度較佳  

LED常須要調光

，舉例來說，有時可能須要調整顯示亮度或是建築照明。有兩種方式可以達到這個目標，一是降低LED電流，二是快速開關LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流，因為燈光輸出與電流之間並不是完全的線性關係。此外，LED的(de)顏(yan)色(se)光(guang)譜(pu)在(zai)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)時(shi)，會(hui)有(you)偏(pian)移(yi)的(de)傾(qing)向(xiang)。人(ren)類(lei)對(dui)亮(liang)度(du)的(de)察(cha)覺(jiao)是(shi)一(yi)種(zhong)指(zhi)數(shu)關(guan)係(xi)
，因(yin)此(ci)如(ru)果(guo)要(yao)調(tiao)整(zheng)亮(liang)度(du)
，可(ke)能(neng)須(xu)要(yao)大(da)幅(fu)度(du)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)
，這(zhe)對(dui)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)甚(shen)大(da)。因(yin)為(wei)在(zai)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)3%的調節錯誤，可能會因為電路容忍度
，在10%的負載時出現30%以上的錯誤。藉由脈衝寬度調變(PWM)影響電流而降低亮度，是比較正確的作法
，不過仍然有反應速度的問題。在照明或顯示時，須要使用100Hz以上的脈衝寬度調節
，人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈衝寬度是在毫秒範圍之中，因此電源供應的帶寬需要大於10kHz。

針對不同LED應用的各種電源拓撲應運而生  

如同表2所示，LED已廣泛運用於各領域，因此需要許多種類的電源拓撲，支持LED的應用。一般而言
，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求
，以做出適當選擇。

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