LED驱动器电压选择实务与实际应用
2019-05-20 12:46:57
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LED驱动器电压选择实务与实际应用
在灯具设计中，如何估算 LED的电压，是一门看似简单却需要注意许多细节的学问。首先，每颗工厂产出的LED，即使在相同条件下测试，顺向偏压或多或少都会有些差异。其次，LED电压还会随着温度而变化。想要确保灯具的使用性及信赖性，我们必须了解几个会影响LED电压的因素，适当的评估误差值，才能正确选择驱动器的输出电压规格。本篇文章分别介绍三个影响LED电压的最大因素，简要的说明考虑点及预估。此外，针对温度的影响，新型LED电源具备了环境适应功能，这对灯具设计有何好处也会在以下说明。文章最末，会提供一个完整设计考虑的例子供参考。
一般灯具设计都会牵涉到光学、热学及电学。灯具的主要目的当然是要满足应用环境对光的要求，像是照度或是色温等等。要满足这些要求，首先LED的型号、种类、数量及驱动电流必须先定义。当以上条件决定后，每个单颗的LED驱动条件基本上已设定完成，灯具整体功率也随之固定。然而灯具整体的电压和电流，取决于设计者如何排列组合LED，可是全部串联，或是有串联有并联，而这部分的考虑通常与安规要求的最高电压或是LED模块化的设计有关。灯具整体概略电压可由下列公式得出。
b. 3.48 (V) / 3.2 (V) = 108.75 %
c. 190 (V) x 108.75% = 206.6 (V)
小结:
一般灯具设计都会牵涉到光学、热学及电学。灯具的主要目的当然是要满足应用环境对光的要求，像是照度或是色温等等。要满足这些要求，首先LED的型号、种类、数量及驱动电流必须先定义。当以上条件决定后，每个单颗的LED驱动条件基本上已设定完成，灯具整体功率也随之固定。然而灯具整体的电压和电流，取决于设计者如何排列组合LED，可是全部串联，或是有串联有并联，而这部分的考虑通常与安规要求的最高电压或是LED模块化的设计有关。灯具整体概略电压可由下列公式得出。
Vforward_total = Vforward x Num/String
上述公式相对简单并可提供设计者一个概略方向，但对灯具的最终设计来说，却有所不足。完整的设计考虑至少还需注意到以下三点：
1) LED 的V-I特性
2) LED的生产差异
3) LED的温度系数
以下分三段做说明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲线如图一所示，LED电压不受流过电流影响。然而实际上，LED的驱动电流是会影响LED上的电压。以图二为例，当LED操作在350mA时，电压约3.2V，当操作在1A时， 电压会升到3.8V。单颗的小压差在多颗LED串联时会变得更明显。设计者需注意LED规格书上标称电压测试的电流条件是否与灯具设计一致。如果灯具采用的是另一个电流，或是电源的纹波电流峰值变化较大，则应根据V-I特性曲线重新估算电压值。
LED 生产差异
LED的顺向偏压会有一定程度的生产差异。一条成熟的LED生产线通常差异会较小并呈常态分布，如图三。生产差异对LED电压的影响通常小于10%，这可以从LED 规格书上参考电压的最大值与标准值比例看出。确切的数值或是分布曲线则必须询问LED制造商。
虽然说最极端的状况可能是 +/- 10%，但实际上使用时，越多LED在同一串，机率上越有可能接近中间值。如果客观条件允许，通常建议电源保留10%的余裕，一来可确保驱动电流不受LED的生产差异影响，二来即使没用到此区间，将电源少许降载也对延长电源寿命有所帮助。
图三 LED Vf 生产常态分布
1) LED 的V-I特性
2) LED的生产差异
3) LED的温度系数
以下分三段做说明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲线如图一所示，LED电压不受流过电流影响。然而实际上，LED的驱动电流是会影响LED上的电压。以图二为例，当LED操作在350mA时，电压约3.2V，当操作在1A时， 电压会升到3.8V。单颗的小压差在多颗LED串联时会变得更明显。设计者需注意LED规格书上标称电压测试的电流条件是否与灯具设计一致。如果灯具采用的是另一个电流，或是电源的纹波电流峰值变化较大，则应根据V-I特性曲线重新估算电压值。
| Characteristics | Unit | Minimum | Typical | Maximum |
| Forward voltage (@350mA, 85°C) | V | 3.2 | 3.48 |
表 一 规格书Vf参数
  |   |
| 图一 理想V-I曲线 | 图二 实际V-I曲线 |
LED 生产差异
LED的顺向偏压会有一定程度的生产差异。一条成熟的LED生产线通常差异会较小并呈常态分布，如图三。生产差异对LED电压的影响通常小于10%，这可以从LED 规格书上参考电压的最大值与标准值比例看出。确切的数值或是分布曲线则必须询问LED制造商。
虽然说最极端的状况可能是 +/- 10%，但实际上使用时，越多LED在同一串，机率上越有可能接近中间值。如果客观条件允许，通常建议电源保留10%的余裕，一来可确保驱动电流不受LED的生产差异影响，二来即使没用到此区间，将电源少许降载也对延长电源寿命有所帮助。
图三 LED Vf 生产常态分布
LED 温度系数
LED电压属于负温度系数，这意指当温度上升时电压会下降，反之，温度低时电压相对高。灯具的热流设计通常会平衡LED的自发热，因此在稳态的时候，LED的温度及电压也相对固定。对电压而言，最严苛的条件会落在灯具冷启动时。LED规格书表格中的电压通常都设定在常态工作温度，若需估算冷启动电压，则需参考V-T曲线或是利用LED制造商提供的工具软件输入参数(Tj)而得。
温度系数与前面两个因素(电流、生产)最大的差异是，温度对电压的影响是暂时性的。当LED启动后， 因自身发热，电压会逐渐降低回到正常位准。也就是说，电源其实不需要无条件地保留冷启动所需要的电压余裕，只需在启动后一小段时间，暂时性的提高输出电压范围。
市面上有部分进阶机种提供了环境自适应功能，允许驱动时检测和自动调节输出电压电流，在灯具达到稳定运转状态后进入恒流区域。HLG-480H-C系列就具备此项功能，电源可以自动降低电流并提高电压最多到120%，以确保灯具在低温时能顺利开启，当灯具开启并升温后，电流自动回复到原始设计值。这样的设计可确保灯具低温开机，同时不影响电源的寿命，设计者也不需要多花预算选用较高功率的电源来确保开机的短暂需求。举一个实际的数字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低温(如 - 40°C)时，可提供高达412V的瞬时电压直到灯具进入稳定工作。
图四 V-T曲线
HVGC的constant power 系列也有类似功能，用户可经由调光控制，暂时性的降低电流并提升最高输出电压。其它机种也有许多可能性，如您有关于LED冷启动的相关问题，欢迎询问各地明纬电源专家。
电压计算范例:
某灯具共使用100颗LED驱动在1.05A，灯板上2并50串，灯具装置的最低环温是0°，设计者应如何决定合适的LED电源？
方式一：询问LED制造商有无工具软件可以使用，将参数输入，直接得到答案。
方式二：从LED 规格书，参考相关数据得到答案。
LED电压属于负温度系数，这意指当温度上升时电压会下降，反之，温度低时电压相对高。灯具的热流设计通常会平衡LED的自发热，因此在稳态的时候，LED的温度及电压也相对固定。对电压而言，最严苛的条件会落在灯具冷启动时。LED规格书表格中的电压通常都设定在常态工作温度，若需估算冷启动电压，则需参考V-T曲线或是利用LED制造商提供的工具软件输入参数(Tj)而得。
温度系数与前面两个因素(电流、生产)最大的差异是，温度对电压的影响是暂时性的。当LED启动后， 因自身发热，电压会逐渐降低回到正常位准。也就是说，电源其实不需要无条件地保留冷启动所需要的电压余裕，只需在启动后一小段时间，暂时性的提高输出电压范围。
市面上有部分进阶机种提供了环境自适应功能，允许驱动时检测和自动调节输出电压电流，在灯具达到稳定运转状态后进入恒流区域。HLG-480H-C系列就具备此项功能，电源可以自动降低电流并提高电压最多到120%，以确保灯具在低温时能顺利开启，当灯具开启并升温后，电流自动回复到原始设计值。这样的设计可确保灯具低温开机，同时不影响电源的寿命，设计者也不需要多花预算选用较高功率的电源来确保开机的短暂需求。举一个实际的数字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低温(如 - 40°C)时，可提供高达412V的瞬时电压直到灯具进入稳定工作。
图四 V-T曲线
HVGC的constant power 系列也有类似功能，用户可经由调光控制，暂时性的降低电流并提升最高输出电压。其它机种也有许多可能性，如您有关于LED冷启动的相关问题，欢迎询问各地明纬电源专家。
电压计算范例:
某灯具共使用100颗LED驱动在1.05A，灯板上2并50串，灯具装置的最低环温是0°，设计者应如何决定合适的LED电源？
方式一：询问LED制造商有无工具软件可以使用，将参数输入，直接得到答案。
方式二：从LED 规格书，参考相关数据得到答案。
步骤一： 查阅LED V-I曲线， 订出中间值电压
步骤二：50串所以总电压为单颗的50倍
3.8 (V) x 50 (pcs) = 190 V
步骤三：考虑生产误差
b. 3.48 (V) / 3.2 (V) = 108.75 %
c. 190 (V) x 108.75% = 206.6 (V)
小结:
LED 稳态时总电压中间值为 190V。
LED稳态时总电压最高值为207V* (假设LED电源纹波电流极小可忽略)。
LED稳态时总电压最高值为207V* (假设LED电源纹波电流极小可忽略)。
步骤四：参考温度系数
从图四看出, LED (350mA) 在85°C的时候是3.2V, 0°C的时候是3.6V
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷启动时
LED 总电压中间值为190V x 1.2 = 228 V
LED 总电压最高值为207V x 1.2 = 248.4 V
LED 电源选用
建议机种 HLG-480H-C2100，原因如下述。
灯具稳态时一般会操作在190V / 2.1A (399W)条件下，最差状况是207V (435W)。此条件HLG-480H-C2100皆可满足。同时它的纹波电流机低可以忽略。冷机时，最高电压会到249V，这虽然不在它的固定输出范围内，但它的环境自适应功能可提供最高275V的瞬时电压，可保证开机的稳定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的机种。
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷启动时
LED 总电压中间值为190V x 1.2 = 228 V
LED 总电压最高值为207V x 1.2 = 248.4 V
LED 电源选用
建议机种 HLG-480H-C2100，原因如下述。
灯具稳态时一般会操作在190V / 2.1A (399W)条件下，最差状况是207V (435W)。此条件HLG-480H-C2100皆可满足。同时它的纹波电流机低可以忽略。冷机时，最高电压会到249V，这虽然不在它的固定输出范围内，但它的环境自适应功能可提供最高275V的瞬时电压，可保证开机的稳定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的机种。