探索低成本LED照明驱动方案

　发光二极管(LED)是用于建筑物及室内照明的下一代照明组件，发光能效比白炽灯高得多，不过，其必须以专用电子驱动电路，确保不遭受过大应力，从而使它们持续提供产品规格中所宣称的长寿命。针对此一技术前提，本文将探讨如何使用简单LED驱动电路来提供必要的可靠性，并将灯具成本降至最低。 

 
　　LED特性加持　室内照明设计更有效率

　　LED照明的特性已使室内照明设计人员可进一步设计出新的照明方案，举例来说，LED尺寸小，且可密集排列，使其能置于软性灯条内，或易于隐藏在橱柜及楼梯中，达成更多设计弹性。此外，LED的主要工作参数相对简单，只要保持电流恒定，并低于可承受的最大电流，进一步在设计参数范围内工作而不遭受过大应力，LED使用寿命将比白炽灯泡长一百倍，成为另一项关键优势。所以，若驱动电路符合LED规格，其光源输出将能维持恒定，基本上使用寿命可超过5万小时。 

　　另一方面，建筑物及室内照明灯具的设计方针须针对全球普遍的规范，其灯具须以50或60Hz频率在85～265VAC的完整通用电压规格范围内工作。涵盖此通用电压要求的电源电路已完成设计，并在生产当中，未来可望以此设计为基础，进一步渗透计算机及手机市场。必须注意的是，这些电源设计系针对终端产品进行优化，但并不必然是LED驱动电路的最佳方案。 

　　减轻设计负担　保持电流恒定方案崛起

　　由于传统电源提供精确的电压输出及不同电流电平，故将一颗电阻与LED串行，就可限制电流。而此类设计的先决条件是明确知道LED(串)两端的电压，且此电压不会跟随LED温度变化而改变。但不利的是，LED正向电压通常会随着温度而变化，因此LED制造商须根据正向电压对其组件进行编码，使灯具制造商可构建在固定温度时与LED正向电压匹配的灯具设计。 

　　在此设计考虑之下，不须经过LED编码的电路具有更强吸引力，因其可节省LED制造商的时间，且产制出的LED价格会更便宜。不仅如此，囿于安全性问题，LED正向电压还具有负温度系数(即温度升高时正向电压下降)，可能导致电路过热而失控，故还须要求设计人员构建防护电路，又是一笔额外的成本。 

　　因此，LED驱动电路的最佳方案是可监测电流并保持电流恒定的方案。此类电路不受LED正向电压影响，无须LED编码，且消除LED在正向电压负温度系数的影响。加上此类电路应用广泛，可以是复杂的开关稳压器或是带回馈回路的线性稳压器，而复杂的开关稳压器极适合高光输出应用，如以发光效能为主的街道照明。 

　　由此可见，建筑物及室内照明灯具均适合采用简单、经济及强固的混合电路设计，虽然其效能要求可能不像复杂的开关稳压器高，但低成本和简单的设计架构使其成为极具吸引力的选择。  

　　成本LED驱动电路　截波器/稳流器是关键

　　接下来将针对室内照明的简单、低成本LED驱动电路做介绍，图1所示的电路由整流桥、截波器(Chopper)和简单的稳流器构成，全波桥由二极管D1、D2、D3和D4(1N4004)构成，为截波器电路注入讯号，开关Q2(NDD03N50Z)将立即导通电容C1(22μF)开始充电。 
 
图1 由整流桥、截波器和简单的稳流器构成的电路图

　　而分压器电阻R1和R2分别为330(kΩ)和390千欧姆，当二极管D5(MMSZ5260BT1G)的阴极电压达到43.5伏特(V)时，齐纳(Zener)二极管即可导电并导通Q1(MPSA44)。当Q1被导通后，就会将Q2的闸极拉至低电平致其关闭，不过电路中须包含二极管D6(MMSZ15T1G)，用于保护Q2的闸极。此时，电容C1两端的电压维持在80～90伏特之间。C1储存的电荷为恒流稳流器(CCR)(NSI45020AT1G)及LED串(此电路示例中含二十二颗LED)供电。CCR将LED串的电流维持在20毫安(mA)。电路中包含与LED串行的电阻R4(10Ω，1.0%)，用于测量LED串电流(200mV=20mA)。 

　　必须注意的是，图2中迹线1代表的是整流桥电路的输出波形；迹线2为截波器电路输出部分的电容C1两端的电压；而迹线3则是电流感测电阻(10Ω，1.0%=200mV=20mA)两端的电压。 

 
图2 在150VAC输入电压条件下，电路周期不同部分呈现的电压。 [p]

　　当整流桥电压增加到高于80伏特时，截波器电路开关也将会限制施加在稳流器电路上的电压。 

　　另外，透过图3的示波器迹线，显示该电路仍有足够的设计余量(Head Room)来让Q1保持在导通状态更长时间，并使电容C1保持在完整充电的状态，只是当输入电压降低至54VAC后，LED电流便开始下降。此外，如图4所示，在265VAC的高输入电压条件下，Q1导通时间极短，不过，图4中迹线2显示仍有足够的能量来为Q1充电，并在关闭周期维持LED电流。 

 
图3 输入电压为85VAC条件下的电压波形

 
图4 在265VAC输入电压条件下所记录的相同数据

　　发挥LED优势　照明灯具使用寿命再提升

　　事实上，上述的LED驱动电路设计可依不同需求进行调节，从而在不同LED的数组条件下工作。举例来说，CCR已提供高达160毫安的额定电流，但若要支持更高电流，可并列布设CCR，而在C1、R1和R2的选择上则须使用匹配的LED类型及数量，方能达成。 

　　总结而言，本文介绍的电路设计使用简单的截波器及CCR，其配置能以50或60Hz频率在85～265VAC的完整通用电压规格下工作，让建筑物及室内照明灯具，藉由简单、经济及强固的混合电路，发挥LED的优势，以获得更长的灯具使用寿命。