LED是一个具有二极管电子特性且会发光的半导体组件，其利用顺向电流(forWard current)流通经半导体p-n结耦合处，再由半导体中分离之电子与电洞两种载子相互结合后，产生光子发射，不同种类的LED能够发出从红外线到蓝光之间、与紫光到紫外线之间等不同波长的光线，近年的新发展则是在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光LED转化成白光LED产品，其电压-电流特性曲线与一般二极管特性接近，请参阅下列附图1.1.

 

图1.1 LED 电压-电流相对特性曲线

一般使用于照明用途多以白光LED为主，其亮度正比于流经白光LED的顺向电流，也因此高功率高亮度的LED应用在白光LED的部分近日来大幅增加，一般高亮度的LED 电流以350/700/1050mA为主流，顺向导通电压VF多在3.0~3.5V之间，功率多以0.5/1/3W为主。
 

LED具有热源少、操作环境广、小型化、耐震动、光束集中等特点，加上近年白光LED的光通量及发光效率显著提升，已开始成为主照明系统选用的光源之一，所应用的范畴可涵盖建筑(洗墙灯、外墙装饰灯、庭园灯、探照灯、阶梯灯、阳台灯等)、户外(路灯、公园灯、柱灯等)、商业(办公室照明、广告照明、展示柜照明等)、及居家(厨柜灯、立灯、桌灯、崁灯等)等照明相关应用。
 

LED因属一种固态半导体组件，于正常设计范围内的可靠度及寿命皆非常好，一般寿命可达50，000~100，000小时，远超过传统灯具的1，000~10，000小时，但在实际的LED应用设计上，却必须特别注意散热及驱动方式的设计考虑，否则将导致LED的光衰及灯具使用寿命加速衰减，请参阅下列附图1.2，因此驱动电源的选择及散热结构的设计，将是决定LED应用是否达成节能环保、高效率、长寿命的关键。




              图1.2 LED接口温度与寿命的关系
 

LED之驱动主要是要产生顺向电流 I_f 流过组件，但由于LED非线性的V-I(电压-电流)曲线特性、温度及制程对顺向电压(V_f)的变化差异较大，目前一般使用上多采用恒定电压源(constant voltage (C.V.) source)或恒定电流源(constant current ( C.C.) source)两种方式作为驱动LED负载之电源。用恒定电压源驱动(C.V.)并不能保证LED亮度的一致性，且会影响LED的可靠度、光衰及寿命。因此，超高亮度LED通常采用恒定电流源(C.C.)来驱动，如图(2)所示.恒定电流源可避免顺向电压变化所造成的电流变化.如此便可产生恒定的LED亮度，无论顺向电压如何变化.产生恒定电流源很容易，只需要调整LED驱动线路通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源供应器的输出电压。

一般传统电源供应器都是提供恒定电压(Constant Voltage， C.V.)给负载，如明纬单输出电源供应器RS-25-5机型便可提供5V/0~5A给各式负载，输出电压为恒定的5V，而输出电流之大小则依负载的使用状况，可为0~5A之间的任意值.当总负载使用电流超过5A时，电源供应器就会进入”过负载保护”模式(一般设计为额定负载的105%~150% 之间会进入保护模式)，常见的过负载保护模式有很多种，如Shut doWn模式(迅速将电源供应器关机)、 Hiccup模式(输出电压呈现跳动状态)、定电流模式(输出电流恒定于一固定值，通常为105~150% 额定电流，此时输出电压会下降).过负载保护被启动时代表电源供应器此时处于异常状态，一般并不适合让电源供应器长时间工作于此状况下.明纬LED电源供应器家族中之LPV系列与LPH/LPC-18系列即属于此类定电压输出式电源，其所搭配之过负载保护类型为Hiccup模式，在LED相关应用上需搭配使用LED定电流驱动IC(图1.5)，或串接限流电阻(图1.4)




而一般所谓可提供恒定电流(C.C.)的LED电源供应器就是参照上述的〝定电流保护〞概念，利用回授控制将输出电流维持于一固定值(接近于规格书上的额定电流)，唯一不同点为: LED电源供应器于定电流(C.C.)模式(或保护)时属正常工作状态，零件的选用及设计皆已考虑能长时间提供此恒定电流输出。一般只有在系统设计为〝电源供应器直接驱动LED〞时才会使电源供应器工作于定电流状态下(如图1.3)。



                 图1.6: 典型定电流LED电源供应器之I-V特性曲线图


如图1.6为一典型的定电流LED电源供应器I-V特性曲线图，各LED电源机型定电流输出区间依不同之线路设计会有所差异.如上图，当输出电压保持于50%额定值以上时才处于定电流模式下，故输出串接之LED的V_F值总和须大于此界线值；若输出串接之LED的V_F值总和小于50% 额定输出电压，此时电源供应器就会进入Hiccup区间，便无法用于驱动LED.目前明纬LED电源供应器大多数为定电流输出机种，且都会于规格书上标示合适之LED工作区间(Constant current range)，依不同线路设计此区间可为3V~100%V_O、9V~100%V_O 、70%~100%V_O不等(PFC机种因另需考虑符合Harmonic Class C，此区间之下限值可能到达75%之额定输出电压).灯具系统设计者若采用电源供应器直接驱动LED时，需于串联LED颗数上考虑此合适工作区间，以免无法使用。

事实上，明纬具定电流输出功能之LED电源供应器大多具有C.V.+C.C.之特性(实际特性曲线，请参阅机型规格书)，也就是说他们在未到达定电流区间之前可工作于〝定电压(C.V.)模式〞，适合搭配LED驱动IC或串接限流电阻使用；而到达定电流区间后则工作于〝定电流(C.C.)模式〞，可用于直接驱动LED之设计.此种C.V.+C.C.之特性可应用于各式LED配置方式中，使得系统设计上更具弹性。


下表为三种常见之LED系统配置优缺点比较:

常见的LED灯具架构多为串联形式，因为如此可确保LED的亮度相等，但即使是同一型号，同一批次的LED其顺向工作电压都有一定差别.另当工作温度升高时LED顺向电压会下降，这将使其顺向电流上升，故必须采用限流电路.常见的架构有以下几种:

• LED 电源供应器直接驱动，如图1.7
此架构的成本低且配接简单，仅需考虑LED本身特性差异，设计也较为单纯；但需选用稳流能力高的LED电源供应器(具定电流模式输出之机种)，且仍有LED每路均流性仍不佳的问题。
矩阵架构的LED配接方式可避免因少部分LED损坏导致多颗LED损坏。使用者基本上不需外加装限流电阻及LED驱动IC来平衡每路LED电流，选用明纬具备恒流型机种直接配接使用即可.而对于所使用的LED需经过筛选，以避免因LED顺向电压差距过大，导致分流不均，造成部分LED承受电流过大而损坏。


图1.7 恒流式电源供应器直接驱动 LED负载


• 串接限流电阻驱动LED， 如图1.8
此架构的优点在于价格低廉且装配设计容易，均流程度较电源供应器直接驱动佳，但是其具有电阻消耗功率大、电流易随电压变化、LED亮度不均匀、且无法准确地控制电流及对LED无保护等缺点。


图1.8: 恒流式或恒压式电源供应器搭配电阻驱动LED负载

范例:
使用 HLG-150H-30(30V/5A)驱动，串联LED颗数固定8颗，并联8路为例。


V : LED电源供应器额定输出电压
V_F  : LED顺向工作电压(本例取3.5V)
I_F:  : LED驱动电流(本例取625 mA)



• 电源供应器搭配线性恒流源驱动IC电路 如图1.9
此架构的成本适中；且LED及LED电源供应器使用寿命长，电路设计也较为简单；但此架构的成本比限流电阻方式高，线性恒流源消耗功率与电阻方式相同，且不适用于输入电压变化大的场合。
线性恒流源无法自动调节控制电流，均流效果较下述的PWM恒流源差，IC基本结构类似”电阻+电子开关”，透过电子开关的导通比，调节LED的驱动电流。


图1.9: 恒流式或恒压式电源供应器搭配线性恒流源驱动LED负载


• 电源供应器搭配PWM恒流驱动IC电路 如图1.10
此线路架构为目前主流的驱动方式，其对电流控制稳流及均流性最佳，LED本身及LED电源供应器使用寿命长；但相较于其他架构此方式的成本最高，配接复杂性也较高，还需考虑PWM恒流电路的EMC高干扰问题，且易有高频异音。
PWM恒流源会自动调节控制电流以达均流效果，确保各路LED有相同的亮度.主要区分为降压型、升压型及升降压等电路架构，线路上透过和电源供应器一样的带宽或频率调整，达到控制恒定电流驱动的目的。


图1.10: 恒流式或恒压式电源供应器搭配PWM恒流源驱动LED

如图2.1步骤一所示，连接LED灯具模块与明纬电源供应器的输出端.  
如图2.1步骤二所示，连接明纬电源供应器至AC电源端

注意：此顺序不可颠倒，若是先将电源供应器接上AC电源，再接LED灯具模块，由于会有瞬间的高突波电流进入LED模块，如果LED模块无使用LED驱动IC而是采直接驱动的方式，则有可能造成LED灯具模块内之LED因瞬间电流过大损坏。


图2.1: LED电源供应器组装说明
/p>

明纬LED电源全系列产品皆具有输入端突波电流(Inrush current)及突波电压(peak AC)的抑制保护，输出端短路(Short)、过载(OLP)、过电压(OVP)等保护功能，部分机型并具有过温度保护(OTP)功能，请详阅明纬交换式电源供应器技术手册。
 

电源供应器在一般的使用条件下，负载的型态及负载量对电源供应器的效率有一定程度的影响，请参考下列附图为HLG-150H-48采用LED负载及一般负载下在70%~100%负载间的效率变化，可看出在采用LED负载直接驱动时，LED串联VF电压的设定越低将会使效率下降，因此设定在85~95%的电压为较佳的设计考虑。


 

LED电源供应器在不同类型负载下的功率因子(PF)及谐波电流影响，请参考下列附图说明，MEAN WELL LED电源供应器的设计及调整在一般条件下，使用LED负载时的PF会较一般负载略差，而LED 串接后Vf电压的大小，亦会影响PF的高低，因此灯具LED的Vf电压设定以靠近电源供应器的额定输出电压较佳。

MEAN WELL 具PFC功能的LED电源供应器在线路设计上采用两种主要线路架构，两种线路架构的差异比较及与无PFC线路优缺点如下表及方块图：


                                         图2.2: Non PFC 线路方块图


                                      图2.3: Single stage PFC 线路方块图


                                 图2.4: TWo stage PFC 线路方块图



*详细机型可参阅明纬LED电源供应器产品比较表

LED组件的发光效率其实并不高，约只有30%会转换为可见光，其余70%则转换为热能，所以散热的设计考虑非常重要.根据LED的温度特性，基本上温度每上升5℃，光通量就下降3%，可靠度下降10%，故温升为影响寿命及光衰的主要原因 。

• 明纬LED电源全系列皆采用自然风冷式散热，最高工作环温皆可达50℃~70℃，  另金属外壳系列可将机壳热源导至系统外壳，更可提升整体可靠度.
• LED电源供应器的寿命与温度有很大的关系，以HLG-150系列为例在相同负载情形之下，工作温度越低其寿命越长，而在相同温度的时候，负载越轻，电源供应器的寿命也会越长，故在选用电源供应器时，建议保留负载的余裕度，以匹配LED寿命较长的特性，其关系如图2.5所示.

                      图2.5: 电源供应器之负载、温度及寿命关系图

• 由图2.6可知，以HLG-150H-48为例当环境温度上升至一定环温(>60度)时，为维持电源供应器的整体温升及可靠度，其定义的供应负载能力会随之下降，故工作环境温度的选定必须列为设计的重要考虑，建议依据工作温度的高低，使用功率、环境等决定散热结构，或选取适当较低环温的位置固定电源供应器。

明纬LED电源供应器部分机型具有输出电压/电流可调功能(灌胶型IP67机型不可调，部份塑料外壳型需打开外壳才能调整)，而金属外壳 A type机型可由外部调整，可调整电压范围约有10%或0~ -15%，电流范围约在50~100%，详细调整规格请参阅机型规格书。
 

•  金属外壳接地：
•               具有保护性接地(FG)，建议电源本体及LED灯体皆与FG连接，可降低整体EMI噪声干扰.
  •  配线：
•             输入及输出线长依据客户应用可能长达数米，其共模噪声将非常大，建议于靠近LED灯体端加上共模夹扣铁心可有效降低此噪声，AC电源线若过长亦可采此方式对策，请参考附图4.9.
  • 高突波(SURGE)需求：
•            于户外应用环境因应雷击突波需求，HLG/HLG-C/HVG/HVGC/CLG等机型在SURGE的耐受可达到4KV或更高，如需更高的SURGE耐受可再外接明纬突波保护器SPD-20，也可以自行外加突波吸收器(ZNR， 470V)或气体放电管(Gas Tube， 500V)对策，但需考虑整体安规要求，请参考附图2.9.
  
  
  
                                图2.9: EMI及雷击(SURGE)对策建议示意图
   
  • LED模块具有LED驱动IC电路：
•            LED驱动IC做为恒流(C.C.)驱动的条件下将可能使EMI的对策更形复杂，由于LED驱动IC本身即为高频切换(数百K~数MHz)的线路结构，因此本身的噪声抑制更为重要，其PCB布局的配置需重视IC接地大小及输入输出的电容及电感配置，一般建议需于电源供应器输出线到LED驱动IC线路的PCB加上共模电感(commonchoke)、差模电感(differential choke)及高频X电容，请参考附图2.10.
  
             
                                                                  图2.10: LED driver EMI对策建议示意图