定電壓LED電源搭配定電流(DC to DC)轉換器驅動LED注意事項

文:藍樺/工程部
hank@meanwell.eu

隨著綠能省電概念的普及,LED照明也越來越受民眾接受,但設計者對於如何挑選合適的LED驅動器仍然是一知半解;希望藉由本文讓設計者能更了解使用定電壓LED電源搭配定電流(DC to DC)轉換器來驅動LED要注意的事項。

在進入主題之前,先介紹一下目前常見的LED燈具電路驅動設計有以下三種搭配模式:
1) 直接驅動 : COB LED模組接定電流LED驅動器,燈具的亮度及電流由LED驅動器控制。為目前市場主力,大多是高效能高功率燈具應用
2) 燈條內建簡易限流電路:12V或24V LED燈條搭配定電壓電源使用,燈條上電流由電壓與LED之間的電阻或簡易電晶體限流電路決定,大多用於間接照明與小功率直接照明應用。
3) 外加或內置電壓:電流轉換器使用定電壓電源,中間利用定電流輸出的電壓-電流轉換器(DC to DC),輸出定電流到LED 模組上,電流主要由中間的電壓-電流轉換器(DC to DC)控制。類似分配式電源應用,一個較大功率的驅動器提供能量,後級電壓- 電流轉換器限制LED電流。
第三種方式- LED驅動器搭配主動式電壓-電流轉換器較有可能發生匹配問題。以下即探討定電壓電源搭配電壓-電流轉換器(DC to DC)來驅動LED模組時需要注意的事項。


電壓-電流轉換器(DC to DC)
一般常用在LED限流的直流轉換器架構有三種,升壓式(boost)、降壓式(buck)或是 升降壓式(buck-boost)。無論何種轉換器,其輸入電壓允許值都具寬範圍特性,當輸入電壓在一定區間內,轉換器都會將輸入功率轉換成特定的輸出值。當輸出負載為穩定狀態時,輸出入的功率都會在一定值,固定功率的概念為高輸入電壓低輸入電流,低輸入電壓高輸入電流,輸入功率公式如下 :

使用電壓-電流轉換器(DC to DC)可能出現之問題:
市售直流輸入的長條形燈管或小型聚光燈成品,通常內部會含有類似明緯LDD系列或LDH系列電壓-電流轉換器,此類燈具產品外部通常只會標示一個標準輸入電壓(例如輸入:24VDC),但實際工作的電壓範圍遠比規格標示上的寬。


圖一 小型聚光燈

以LDD-350H的規格來解釋說明,LDD-350H的輸出電流為350mA,輸出與輸入電壓範圍分別是: 輸入9~56VDC,輸出2~52VDC。實際輸出電壓由LED負載決定,而輸入電壓只要是比輸出電壓高3V都是可操作範圍。意思是當LED順向偏壓是9V,則LDD-350H輸入在12~56VDC範圍都會正常工作。



圖二 LDD-H規格


由於實務上因為24V電壓電源較為普遍,很可能在該燈具目錄上會建議搭配24V電源來使用,在資訊不完整情況下,有可能會造成系統組裝者誤判,並發生電源搭配性問題,此類問題與輸入開機時的暫態有關,可能的現象是開機失敗或開機時燈具閃爍,以下針對問題做更詳細說明。

狀況一:定電壓電源供應器可供應的電流不足。

主因為電流轉換器啟動電壓低於前端電源供應器的額定電壓,當在低壓啟動工作下,電流轉換器需求電流高於電源可輸出電流值。以圖三為例,輸出端燈條每條上的LED電壓電流是9V/1A,30條並聯時總輸出就是270W。如果燈具或轉換器輸入電壓標示為 24V 輸入,一般人可能會選 24V、大於300W的LED驅動器,比如說HLG-320H-24。
 


圖三 裝配示意圖
 

HLG-320H-24規格書顯示其最大輸出瓦數是320.16W,最大輸出電流是13.34A。如果單依規格來看,用於驅動此燈具似乎沒有太大問題,但實際狀況是當電流轉換器後端接的是9V的LED時,降壓式轉換器會在12V輸入時就會啟動,因為驅動器從開機到輸出升到正常電壓需要一定時間,若轉換器的輸入點低又無軟啟動機制(輸出功率由低至高漸增),有可能在HLG-320輸出從0V升到24V的過程中,轉換器即開始全輸出工作,此時因需求電流高於HLG-320H-24所能供給,因此PSU輸出會被拉低並中斷,燈具則可能閃爍、亮度偏低或完全無法開機。
電流轉換器在24V與12V時的輸入電流如下時,需高一倍的輸入電流以維持預期的輸出規格。

  • 工作電壓 24V 時 電流轉換器輸入電流
         270W=24V ×11.25A
  • 工作電壓12V時 電流轉換器輸入電流
        270W=12V×22.5A

圖四 DC/DC 在不同輸入電壓下工作狀況.


圖五 HLG-320H規格

 
狀況二:定電壓電源實際輸出電壓不在工作範圍內

以圖六為例,當LED規格是6V/20A時,降壓式轉換器可能在9V以下就開始工作。如電源AC開機後來不及升到正常電壓,轉換器即開始全功率輸出,即使電流仍在電源可接受範圍內,但因電壓已低於最低工作範圍,電源無法穩定工作,會進入打嗝模式重新啟動。此時,燈具雖短暫點亮,但因電源無法穩定工作會進入反覆閃爍狀態,直到電壓升到可工作區間 (>12V)。
 


圖六 9V即啟動,HLG-320H來不及升到正常電壓,會進入重啟模式


圖七 HLG-320H-24工作區間及DC/DC工作曲線
 
由上述二例可知,問題主因是電流轉換器(DC/DC)實際啟動電壓低於燈具外部標示,當進入低壓啟動,電源可能無法在正常工作的條件下運作而產生問題。
解決方案:

如燈具出現此問題時,可以下列方式解決:

一 ) DC/DC Soft Start or Delay Start

使用具軟啟動的轉換器,在啟動初始時,DC/DC會漸進式的提升輸出入功率,此機制可避免inrush current並有助於前端電源順利升壓至正常輸出電壓。
 

二) 使用DC Switch 或 具Dim Off的轉換器

在PSU 電壓成功建立前(@230VAC < 0.5sec),DC/DC 可先以Dim off 方式關閉或在前方加DC switch切斷電源輸出至DC/DC的迴路,當電壓成功建立後再開啟DC/DC,可確保電源是操作在正確條件下。
 



圖八 使用DC Switch 或 轉換器附帶的Dim Off 功能
 
三) 增加輸出電流

增加電流可藉由直接增加瓦數,比如說HLG-320H-24換成HLG-480H-24,或是換成低壓(高電流)同功率產品,比如說 HLG-320H-24 (13.34A)換HLG-320H-12 (22A),必須注意選用的電壓必須是在電壓-電流轉換器的輸入範圍內。



四) 詢問明緯修改可能性,增加瞬間功率輸出功能

部分產品可以提高暫態輸出電流,或是放寬過電流保護範圍,在開機後,電流必須回到電源的額定值內。搭配性問題需要依系統需求及狀況解決,如客戶有遇到類似問題,建議先確認LED及DC轉換器的規格,再向明緯服務人員諮詢合適的產品。