驅動多LED串求效率　并/串聯方案各有利弊?

　　要驅動多個LED燈串，最簡單的方法是使用能夠將電源電壓轉換為直流電(DC)輸出電壓(例如12伏特或24伏特)的電源，然后以此一電源驅動并聯LED燈串，且在各個燈串中使用電阻來調節電流。此方法成本很低，但是現今的高亮度LED會耗用350毫安(mA)以上的電流，故這種方法的損耗極大，造成效率不高，且電流調節效果不佳，而使得燈串之間的光線差異極為明顯。??

　　若要改善這種方法，必須使用線性穩壓器取代電阻，以提升所有燈串的光線輸出一致性。然而，這樣做只能使光線輸出一致，而效率或功耗并未明顯改善。對于使LED使用壽命達到最長而言，降低功耗非常重要。在這兩種方法中，使用電阻或線性穩壓器做為固定熱源，都會大幅縮短LED的使用壽命。??

　　另一種同樣相當簡單的方法是制作長的單一串聯燈串，并使用可產生高壓DC穩定電流來源的單一電源。這種方法的高壓運作會達到60VDC或42伏特均方根值(RMS)安全極低壓(SELV)位準以上，而其中的照明設備或附件須經過安全機構的許可，因而使得將相同電機設計運用于其他應用的彈性大為降低。?
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　　單一燈串方法的另外一項考慮因素是可靠性。如果只有一個LED開啟，便會釋放整個照明設備的光線輸出。雖然可加裝許多消弧電路或裝置來控制各個LED開啟，但是這會增加燈具的成本及復雜度。
?發光二極管(LED)具有省電且毋須頻繁維護的特性，已成為路燈及其他高功率照明應用的發展主流。LED照明驅動方法雖包羅萬象，但為達到市場對更高效率及更低系統成本的要求，以新的簡易拓撲電路來驅動多個LED燈串已勢在必行。

　　觀察路燈或用于體育場的高天井燈，以及其他高功率照明應用的發展趨勢，正逐漸轉向使用發光二極管(LED)做為光源的固態照明，主要原因在于LED具有更高的能源效率及較不頻繁的維護需求，而這兩項因素也證明如此的轉向確有其必要性。

　　在此類高功率照明應用中，目前正考慮使用各種方法來驅動這些照明燈，本文將討論一種能以更高的效率及更低的系統成本，來驅動多個LED燈串的新拓撲。為充分了解此一拓撲的優點，首先將探討目前正在考慮解決方案或已經在低功率LED應用中發揮良好效果的各種方法。
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運用降壓轉換器調節電流　降低驅動電路成本成關鍵?

　　事實上，在高功率LED照明應用中，最常使用切換穩壓器以調節電流的多重燈串架構，其中的單一主電源會將交流電(AC)電源轉換為一般在SELV位準以下的單一DC總線電壓；然后，此總線會為并聯LED燈串供電，而各個燈串都有降壓轉換器(最常見)或升壓轉換器。為求簡便，本文的分析僅局限于降壓轉換器，因為降壓轉換器在成本及組件數目方面都與升壓轉換器極為類似。??

　　舉例來說，圖1顯示一個低成本簡易型降壓穩壓器電路，包含脈沖寬度調變(PWM)控制器、電感、金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)、二極管，以及多個電阻與電容。如果需要更高的效率，可以使用MOSFET代替二極管，并使用能夠達到同步降壓運作的PWM控制器。

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圖1 簡易型降壓穩壓器

而圖2則顯示利用降壓穩壓器進行電流調節的高功率多重燈串照明應用子系統區塊。當AC電源輸入經過整流后，便供給到功率因子修正(PFC)升壓電路，其中PFC會產生400伏特的高壓，而向下游隔離DC-DC轉換器提供輸入電源。然后，該轉換器輸出會用來產生低壓總線(一般為12伏特或24伏特)，而向經過降壓調節的LED燈串供電。???

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圖2 使用降壓穩壓器的一般高功率LED照明系統

這種方法擁有較高的效率，是以最小LED燈串數構成LED照明的理想選擇。不過，對于具有四個以上燈串的高功率應用而言，組件數量及成本都會增加。對于電子組件廠商及供應鏈而言，產品銷售量雖隨之增加；然而，對于照明設備廠商及其用戶來說，如此高的成本不利于產品受到廣泛使用，因為固態照明的穩定發展須仰仗低成本的驅動電路，才能讓市場成形并穩定成長。?

兼具低成本/高效率　電氣絕緣設計方案亮眼?

　　圖3顯示串聯輸入多重并聯LED簡易(Simple)驅動器，這是一種極具成本效益的多重LED燈串驅動方法。除了PFC之外，這也是一種兩段式方法，其中包括反向穩定電流降壓穩壓器及下游DC-DC變壓器電路。該方法的效率相當高，且具有優異的燈串電流調節功能，最重要的是，這是一個低成本的方法。???

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圖3 簡易型驅動多變壓器

此外，針對各個燈串加裝的單一被動硅控制整流器(SCR)消弧電路，這個方法也能夠達到備援效用。如果一個LED或燈串開啟，則光線輸出不會高于其他燈串。??

　　在深入研究其中的運作之前，必須先討論對于使用簡易驅動多變壓器方法時出現的問題。首先要注意這是電氣絕緣設計，其中可設計二次側輸出電壓維持在SELV位準以下，便不須讓照明設備與電源結合與互連，以獲得安全機構的許可。原因與本文討論的所有脫機解決方案一樣，電源仍然須要安全許可，但是燈具并不需要，便省去一道流程。?
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　　此外，將輸出維持在這些位準以下，亦可增加本身的彈性，使各種燈具都能滿足其他許多照明應用的需求。??

　　另從散熱管理的角度來看，這種絕緣設計較為理想，因為其中沒有對LED近接或接觸金屬附件的任何限制。更顯著的特點是，這種絕緣設計不需輸出端的回授，故不必使用光電或其他安全額定的絕緣回授裝置，所以，本文也會探討二次側的簡易性，因為二次側只有少數的被動組件，且沒有任何偏壓電源、主動組件或操控裝置。??

　　總結來說，在運作方面，簡易驅動器擁有1%以上的絕佳燈串電流匹配，而且具有高效率的諧振運作，能夠隨著燈串數增加而達到更高的成本效益。?

PFC電路輸出降低切換損耗

　　接著探討PFC電路的輸出，其為反向降壓電路的輸入模式，可經過配置而產生穩定電流輸出，而系統封閉回路便位于這種電流附近，因此，所產生的電流輸出會向下游供給到DC-DC變壓器電路，而該電路包含一個半橋式控制器、兩個MOSFET、電容C1與電容C2，以及多個變壓器。?

然后，該電流還會流經半橋式MOSFET開關，到達串聯變壓器的一次側，其中，電容C1與C2將發揮許多功能，不僅可用于為半橋式建立分壓器，同時是諧振電路的組成組件，并且是DC阻隔電容，有助于避免變壓器飽和。而諧振運作允許MOSFET開關以零電壓切換(ZVS)進行切換，這可降低切換損耗，并且強制輸出二極管達到零電流切換(ZCS)，以發揮最大的效率。?

必須注意的是，現已轉換為AC電流的DC電流會通過所有串聯變壓器的一次側前后諧振。可串聯的變壓器一次側數目相當有彈性，因為可選擇繞組匝數比來支持許多變壓器或LED燈串。不過，計算匝數比須考慮燈串數，這是由于其中規定變壓器數目及各個燈串的正向電壓。?

發揮功率轉換效益　PFC設計考慮不可或缺

若要發揮功率轉換的最高效率，必須盡可能處理最少的功率，如此一來，也須盡可能接近輸入電壓進行運作才能達成。由于大多數高功率照明應用都支持主動PFC的使用，因此，為簡單起見，可將它視為功能區塊，并且將一些典型值輸出代表其中的輸出。?

由于大多數主動PFC電路都能發揮升壓轉換器的作用，因此PFC輸出電壓的設定必須高于最高AC線路電壓的峰值。在85～265VAC的一般輸入范圍中，大約是375伏特。增加容限及容差的一些動態范圍之后，400伏特便成為典型的設定值。?

此外，為確保下游降壓擁有PFC輸出變化的較多動態范圍，就須增加較多的容限，以適應約40伏特的漣波，這使得反向降壓輸入運作點下限為大約360伏特。再加上為確保降壓輸出具有一定的最大壓降，以便運作正常，也須要提供一定的動態范圍，并將輸出范圍限定在280伏特。?

計算降壓/變壓器匝數比　穩定電流值呼之欲出　?

了解各個范圍限度之后，下一個步驟是要了解如何透過降壓及變壓器匝數比來計算此一設計實例的穩定電流值。在此類設計中，使用兩個變壓器以1安培(A)的電流驅動四個LED燈串，各個燈串都具有十個高功率LED。假設LED正向電壓為3.5伏特，而燈串電壓為35伏特，由于DC降壓的輸出運作點是設定在280伏特，故此時成為DC-DC變壓器電路的輸入。?

此一情形表示施加于串聯一次側的電壓將為電容分壓器(由C1與C2組成)電壓的二分之一，使得串聯一次側配置的電壓達到140伏特。如公式1所示：?

透過公式1的等式，各個變壓器的一次側電壓(VP)=橋接電壓/變壓器數=140伏特/2=70伏特，匝數比的計算變得相當容易，其中NP=一次側匝數；NS=二次側匝數；VS=二次側或LED燈串電壓；VP=各個一次側繞組兩端的電壓。?

另一方面，若要計算各個變壓器驅動兩個LED燈串時，有關反向降壓的電流輸出設定值，必須先確認交替半個周期中各個變壓器只有一個燈串導電。?

不過，要在休眠期間維持LED導電狀態，向導電燈串提供的電流必須是LED電流的兩倍；也就是說，在所需LED電流為1安培的情況下，每半個周期向LED及濾波器電容提供的電流為2安培。若要計算降壓穩壓器，則必須如公式2所示設定電流值(ISet)：?

如上所述，確定變壓器需求相當簡單，同時使簡易驅動成為能因應眾多不同照明應用的彈性解決方案。不過，若要使簡易驅動成為眾多LED照明應用區塊方法的一部分，還須要考慮上游功率級，例如半橋式的功率處理組件、反向降壓及PFC等，因為必須調整這些功率級，才能處理所希望驅動器達到的最高功率級。