随着全球环保节能意识抬头,加上LED发光效率快速提升,使得LED不断拓展其应用领域,成为取代传统光源的主流技术。从手机、笔电、显示器到电视的面板光源,再到广告牌、路灯、建筑物、车灯等等,处处可见LED的身影,也带动庞大的市场商机。
台湾LED供应链从上游磊晶、中游晶粒制作,到下游的封装都有许多厂商投入,形成一个非常完整的产业链结构,在国际市场扮演重要的角色。相较于其他国家由少数大厂包办所有生产环节的模式,台湾LED产业更具弹性,更能够提供优质的服务模式,来满足客户的不同需求。
不过,前瞻性的LED技术仍不断推陈出新,为提升照明产品的质量与功能,设计者仍需面对许多挑战。为协助业者掌握LED开发之关键技术,特在2010年12月2日举办本次LED照明驱动设计与开发实务研讨会,会中将邀请多位专家,分别探讨LED照明标准、高效率LED驱动方案、LED光源之照明设计与应用,以及AC to CC/DC to CC驱动设计要领。
高效率LED驱动器选择要领
凌力尔特(Linear)应用技术工程经理李景升表示,LED具有相当多的应用优势,包括小尺寸、设计有弹性、快速发光、安全、容易调光、节能环保、寿命长、耐用度高等等,因而很快地拓展市场到各个角落。
一个良好的LED灯具,必须同时做好光、机、电、热等各方面的设计。在电性的处理上,必须决定LED晶粒及灯串的数量,通过的电流、电压值,以及切换频率及转换效率等。李景升指出,对于LED的寿命来说,操作温度的控制是非常重要的,太高温会降低使用寿命。此外,必须决定LED调光的方式是采用直流电驱动或PWM,并需做好妥善的电路保护。
要满足这些设计需求,LED驱动器就成了选择的重点。对供货商的考虑要领包括是否提供弹性的架构,电流供应及可调光的范围是否够广,驱动器的尺寸是否够小、功能整合度是否够高,以及能提供多少串行的驱动信道。不仅如此,选择驱动器时也得考虑是否提供过电压/过电流保护,支持SPI/I2C控制接口,以及对温度的控制、效率的提升和噪声的降低等等。
他强调由Linear提出的High Side Current Sensing架构,即是一种高度弹性的解决方案,不论是升压、降压或升/降压模式皆可用同一颗芯片来达成。不仅如此,一般的电路设计上需用到两条链接线路,上述架构则可简化为一条线路。
在调光设计上,为了维持色彩的一致性,采用Filtered PWM或DC调光方式,调光率通常必须小于10:1。李景升指出,若将模拟式调光与PWM调光整合在一起,就能提供更高的调光率。透过驱动芯片内部的PWM调光控制,甚至可做到3000:1的调光率。
此外,在一些应用的设计上,往往需要规划一个以上的LED灯串,这时灯串之间的电流匹配(current matching)就很重要。要满足此类需求,可采用支持多信道的LED驱动器,或是其他的架构,例如以驱动器搭配颗功率级和一颗镇流器(ballaster)。
LED光源之照明设计与应用
做为照明设备,如何让LED发出最大的光量及理想的光形,也是灯具设计的重点所在。思源科技光学部应用工程师刘惠卿表示,LED的光学设计必须善用光学透镜、反射面镜和折光板来达成设计需求,而光学软件提供了一个良好的照明设计与分析平台,可以辅助整个设计工作的完成。
在照明仿真上,外型、光谱、光通量与配光曲线是建立模型的重要参数。整个光学设计流程从3D模型的建立开始,必须先建立光源及观察面,再进行光线仿真,依据分析结果再做优化的调整。刘惠卿指出,优化是由评价函数、变量和限制条件所组成,其目的是藉由改变系统变量,在满足限制条件的情况下降低误差函数。做完优化后即可建立真实光源来取代初始的点光源。
刘它卿强调,光源设定的准确与否,决定了整个设计的准确度。光源的建立方法包括切趾光源、数据光源、几何光源,而正确的光源设定方式则分为根据LED的规格书、从网络上下载光源档案,以及自行建构几何光源。
LED照明驱动设计要领
针对LED照明驱动IC的应用设计,立锜科技营销处LED照明资深项目经理廖光彬表示,大致可分为交流供电与直流供电两大类,两者都要求提供定电流(constant current;CC)驱动,但有不同的设计需求。以交流电转定电流驱动来说,又可分为隔离型与非隔离型的作法。廖光彬指出,目前非隔离型在日本是主流作法,占约七成市场;美国的应用也有增加的趋势,欧洲市场的发展则有待观察。
廖光彬指出,在驱动IC的选择上,必须要能够提供非常精准的定电流控制,而且有稳定的量产质量,即电流准确性应在±5%之内。当然,IC的封装尺寸愈小愈好,同时要能将更多的外部组件整合到这颗IC中,才能节省电路空间、降低成本,并提高系统稳定性。此外,不操作时的电流泄露要低,才会省电;采用二次侧调光方法则可以得到更佳的准确性。