LED是一個具有二極體電子特性且會發光的半導體元件，其利用順向電流(forWard current)流通經半導體p-n結耦合處，再由半導體中分離之電子與電洞兩種載子相互結合後，產生光子發射，不同種類的LED能夠發出從紅外線到藍光之間、與紫光到紫外線之間等不同波長的光線，近年的新發展則是在藍光LED上塗上螢光粉，將藍光LED轉化成白光LED產品，其電壓-電流特性曲線與一般二極體特性接近，請參閱下列附圖1.1.

 

圖1.1 LED 電壓-電流相對特性曲線

一般使用於照明用途多以白光LED為主，其亮度正比於流經白光LED的順向電流，也因此高功率高亮度的LED應用在白光LED的部分近日來大幅增加，一般高亮度的LED 電流以350/700/1050mA為主流，順向導通電壓VF多在3.0~3.5V之間，功率多以0.5/1/3W為主。
 

LED具有熱源少、操作環境廣、小型化、耐震動、光束集中等特點，加上近年白光LED的光通量及發光效率顯著提昇，已開始成為主照明系統選用的光源之一，所應用的範疇可涵蓋建築(洗牆燈、外牆裝飾燈、庭園燈、探照燈、階梯燈、陽台燈等)、戶外(路燈、公園燈、柱燈等)、商業(辦公室照明、廣告照明、展示櫃照明等)、及居家(廚櫃燈、立燈、桌燈、崁燈等)等照明相關應用。
 

LED因屬一種固態半導體元件，於正常設計範圍內的可靠度及壽命皆非常好，一般壽命可達50，000~100，000小時，遠超過傳統燈具的1，000~10，000小時，但在實際的LED應用設計上，卻必須特別注意散熱及驅動方式的設計考量，否則將導致LED的光衰及燈具使用壽命加速衰減，請參閱下列附圖1.2，因此驅動電源的選擇及散熱結構的設計，將是決定LED應用是否達成節能環保、高效率、長壽命的關鍵。




              圖1.2 LED介面溫度與壽命的關係
 

LED之驅動主要是要產生順向電流 I_f 流過元件，但由於LED非線性的V-I(電壓-電流)曲線特性、溫度及製程對順向電壓(V_f)的變化差異較大，目前一般使用上多採用恆定電壓源(constant voltage (C.V.) source)或恆定電流源(constant current ( C.C.) source)兩種方式作為驅動LED負載之電源。用恆定電壓源驅動(C.V.)並不能保證LED亮度的一致性，且會影響LED的可靠度、光衰及壽命。因此，超高亮度LED通常採用恆定電流源(C.C.)來驅動，如圖(2)所示.恆定電流源可避免順向電壓變化所造成的電流變化.如此便可產生恆定的LED亮度，無論順向電壓如何變化.產生恆定電流源很容易，只需要調整LED驅動線路通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源供應器的輸出電壓。

一般傳統電源供應器都是提供恆定電壓(Constant Voltage， C.V.)給負載，如明緯單輸出電源供應器RS-25-5機型便可提供5V/0~5A給各式負載，輸出電壓為恒定的5V，而輸出電流之大小則依負載的使用狀況，可為0~5A之間的任意值.當總負載使用電流超過5A時，電源供應器就會進入”過負載保護”模式(一般設計為額定負載的105%~150% 之間會進入保護模式)，常見的過負載保護模式有很多種，如Shut doWn模式(迅速將電源供應器關機)、 Hiccup模式(輸出電壓呈現跳動狀態)、定電流模式(輸出電流恆定於一固定值，通常為105~150% 額定電流，此時輸出電壓會下降).過負載保護被啟動時代表電源供應器此時處於異常狀態，一般並不適合讓電源供應器長時間工作於此狀況下.明緯LED電源供應器家族中之LPV系列與LPH/LPC-18系列即屬於此類定電壓輸出式電源，其所搭配之過負載保護類型為Hiccup模式，在LED相關應用上需搭配使用LED定電流驅動IC(圖1.5)，或串接限流電阻(圖1.4)




而一般所謂可提供恆定電流(C.C.)的LED電源供應器就是參照上述的〝定電流保護〞概念，利用回授控制將輸出電流維持於一固定值(接近於規格書上的額定電流)，唯一不同點為: LED電源供應器於定電流(C.C.)模式(或保護)時屬正常工作狀態，零件的選用及設計皆已考量能長時間提供此恆定電流輸出。一般只有在系統設計為〝電源供應器直接驅動LED〞時才會使電源供應器工作於定電流狀態下(如圖1.3)。



                 圖1.6: 典型定電流LED電源供應器之I-V特性曲線圖


如圖1.6為一典型的定電流LED電源供應器I-V特性曲線圖，各LED電源機型定電流輸出區間依不同之線路設計會有所差異.如上圖，當輸出電壓保持於50%額定值以上時才處於定電流模式下，故輸出串接之LED的V_F值總和須大於此界線值；若輸出串接之LED的V_F值總和小於50% 額定輸出電壓，此時電源供應器就會進入Hiccup區間，便無法用於驅動LED.目前明緯LED電源供應器大多數為定電流輸出機種，且都會於規格書上標示合適之LED工作區間(Constant current range)，依不同線路設計此區間可為3V~100%V_O、9V~100%V_O 、70%~100%V_O不等(PFC機種因另需考量符合Harmonic Class C，此區間之下限值可能到達75%之額定輸出電壓).燈具系統設計者若採用電源供應器直接驅動LED時，需於串聯LED顆數上考慮此合適工作區間，以免無法使用。

事實上，明緯具定電流輸出功能之LED電源供應器大多具有C.V.+C.C.之特性(實際特性曲線，請參閱機型規格書)，也就是說他們在未到達定電流區間之前可工作於〝定電壓(C.V.)模式〞，適合搭配LED驅動IC或串接限流電阻使用；而到達定電流區間後則工作於〝定電流(C.C.)模式〞，可用於直接驅動LED之設計.此種C.V.+C.C.之特性可應用於各式LED配置方式中，使得系統設計上更具彈性。


下表為三種常見之LED系統配置優缺點比較:

常見的LED燈具架構多為串聯形式，因為如此可確保LED的亮度相等，但即使是同一型號，同一批次的LED其順向工作電壓都有一定差別.另當工作溫度升高時LED順向電壓會下降，這將使其順向電流上升，故必須採用限流電路.常見的架構有以下幾種:

• ​​​​LED 電源供應器直接驅動，如圖1.7
此架構的成本低且配接簡單，僅需考慮LED本身特性差異，設計也較為單純；但需選用穩流能力高的LED電源供應器(具定電流模式輸出之機種)，且仍有LED每路均流性仍不佳的問題。
矩陣架構的LED配接方式可避免因少部分LED損壞導致多顆LED損壞。使用者基本上不需外加裝限流電阻及LED驅動IC來平衡每路LED電流，選用明緯具備恆流型機種直接配接使用即可.而對於所使用的LED需經過篩選，以避免因LED順向電壓差距過大，導致分流不均，造成部分LED承受電流過大而損壞。


圖1.7 恆流式電源供應器直接驅動 LED負載


• 串接限流電阻驅動LED， 如圖1.8
此架構的優點在於價格低廉且裝配設計容易，均流程度較電源供應器直接驅動佳，但是其具有電阻消耗功率大、電流易隨電壓變化、LED亮度不均勻、且無法準確地控制電流及對LED無保護等缺點。


圖1.8: 恆流式或恆壓式電源供應器搭配電阻驅動LED負載

範例:
使用 HLG-150H-30(30V/5A)驅動，串聯LED顆數固定8顆，並聯8路為例。


V : LED電源供應器額定輸出電壓
V_F  : LED順向工作電壓(本例取3.5V)
I_F:  : LED驅動電流(本例取625 mA)



• 電源供應器搭配線性恆流源驅動IC電路 如圖1.9
此架構的成本適中；且LED及LED電源供應器使用壽命長，電路設計也較為簡單；但此架構的成本比限流電阻方式高，線性恆流源消耗功率與電阻方式相同，且不適用於輸入電壓變化大的場合。
線性恆流源無法自動調節控制電流，均流效果較下述的PWM恆流源差，IC基本結構類似”電阻+電子開關”，透過電子開關的導通比，調節LED的驅動電流。


圖1.9: 恆流式或恆壓式電源供應器搭配線性恆流源驅動LED負載


• 電源供應器搭配PWM恆流驅動IC電路 如圖1.10
此線路架構為目前主流的驅動方式，其對電流控制穩流及均流性最佳，LED本身及LED電源供應器使用壽命長；但相較於其他架構此方式的成本最高，配接複雜性也較高，還需考量PWM恆流電路的EMC高干擾問題，且易有高頻異音。
PWM恆流源會自動調節控制電流以達均流效果，確保各路LED有相同的亮度.主要區分為降壓型、升壓型及升降壓等電路架構，線路上透過和電源供應器一樣的頻寬或頻率調整，達到控制恆定電流驅動的目的。


圖1.10: 恆流式或恆壓式電源供應器搭配PWM恆流源驅動LED

如圖2.1步驟一所示，連接LED燈具模組與明緯電源供應器的輸出端.  
如圖2.1步驟二所示，連接明緯電源供應器至AC電源端

注意：此順序不可顛倒，若是先將電源供應器接上AC電源，再接LED燈具模組，由於會有瞬間的高突波電流進入LED模組，如果LED模組無使用LED驅動IC而是採直接驅動的方式，則有可能造成LED燈具模組內之LED因瞬間電流過大損壞。


圖2.1: LED電源供應器組裝說明
/p>

明緯LED電源全系列產品皆具有輸入端突波電流(Inrush current)及突波電壓(peak AC)的抑制保護，輸出端短路(Short)、過載(OLP)、過電壓(OVP)等保護功能，部分機型並具有過溫度保護(OTP)功能，請詳閱明緯交換式電源供應器技術手冊。
 

電源供應器在一般的使用條件下，負載的型態及負載量對電源供應器的效率有一定程度的影響，請參考下列附圖為HLG-150H-48採用LED負載及一般負載下在70%~100%負載間的效率變化，可看出在採用LED負載直接驅動時，LED串聯VF電壓的設定越低將會使效率下降，因此設定在85~95%的電壓為較佳的設計考量。


 

LED電源供應器在不同類型負載下的功率因數(PF)及諧波電流影響，請參考下列附圖說明，MEAN WELL LED電源供應器的設計及調整在一般條件下，使用LED負載時的PF會較一般負載略差，而LED 串接後Vf電壓的大小，亦會影響PF的高低，因此燈具LED的Vf電壓設定以靠近電源供應器的額定輸出電壓較佳。

MEAN WELL 具PFC功能的LED電源供應器在線路設計上採用兩種主要線路架構，兩種線路架構的差異比較及與無PFC線路優缺點如下表及方塊圖：


                                         圖2.2: Non PFC 線路方塊圖


                                      圖2.3: Single stage PFC 線路方塊圖


                                 圖2.4: TWo stage PFC 線路方塊圖



*詳細機型可參閱明緯LED電源供應器產品比較表

LED元件的發光效率其實並不高，約只有30%會轉換為可見光，其餘70%則轉換為熱能，所以散熱的設計考量非常重要.根據LED的溫度特性，基本上溫度每上升5℃，光通量就下降3%，可靠度下降10%，故溫升為影響壽命及光衰的主要原因 。

• 明緯LED電源全系列皆採用自然風冷式散熱，最高工作環溫皆可達50℃~70℃，  另金屬外殼系列可將機殼熱源導至系統外殼，更可提升整體可靠度.
• LED電源供應器的壽命與溫度有很大的關係，以HLG-150系列為例在相同負載情形之下，工作溫度越低其壽命越長，而在相同溫度的時候，負載越輕，電源供應器的壽命也會越長，故在選用電源供應器時，建議保留負載的餘裕度，以匹配LED壽命較長的特性，其關係如圖2.5所示.

                      圖2.5: 電源供應器之負載、溫度及壽命關係圖

• 由圖2.6可知，以HLG-150H-48為例當環境溫度上升至一定環溫(>60度)時，為維持電源供應器的整體溫昇及可靠度，其定義的供應負載能力會隨之下降，故工作環境溫度的選定必須列為設計的重要考量，建議依據工作溫度的高低，使用功率、環境等決定散熱結構，或選取適當較低環溫的位置固定電源供應器。

明緯LED電源供應器部分機型具有輸出電壓/電流可調功能(灌膠型IP67機型不可調，部份塑膠外殼型需打開外殼才能調整)，而金屬外殼 A type機型可由外部調整，可調整電壓範圍約有10%或0~ -15%，電流範圍約在50~100%，詳細調整規格請參閱機型規格書。
 

•  金屬外殼接地：
•               具有保護性接地(FG)，建議電源本體及LED燈體皆與FG連接，可降低整體EMI雜訊干擾.
  •  配線：
•             輸入及輸出線長依據客戶應用可能長達數米，其共模雜訊將非常大，建議於靠近LED燈體端加上共模夾扣鐵心可有效降低此雜訊，AC電源線若過長亦可采此方式對策，請參考附圖4.9.
  • 高突波(SURGE)需求：
•            于戶外應用環境因應雷擊突波需求，HLG/HLG-C/HVG/HVGC/CLG等機型在SURGE的耐受可達到4KV或更高，如需更高的SURGE耐受可再外接明緯突波保護器SPD-20，也可以自行外加突波吸收器(ZNR， 470V)或氣體放電管(Gas Tube， 500V)對策，但需考慮整體安規要求，請參考附圖2.9.
  
  
  
                                圖2.9: EMI及雷擊(SURGE)對策建議示意圖
   
  • LED模組具有LED驅動IC電路：
•            LED驅動IC做為恆流(C.C.)驅動的條件下將可能使EMI的對策更形複雜，由於LED驅動IC本身即為高頻切換(數百K~數MHz)的線路結構，因此本身的雜訊抑制更為重要，其PCB佈局的配置需重視IC接地大小及輸入輸出的電容及電感配置，一般建議需於電源供應器輸出線到LED驅動IC線路的PCB加上共模電感(commonchoke)、差模電感(differential choke)及高頻X電容，請參考附圖2.10.
  
             
                                                                  圖2.10: LED driver EMI對策建議示意圖