LED驅動器電壓選擇實務與實際應用
文: 藍樺/歐洲明緯工程部
在燈具設計中，如何估算 LED的電壓，是一門看似簡單卻需要注意許多細節的學問。首先，每顆工廠產出的LED，即使在相同條件下測試，順向偏壓或多或少都會有些差異。其次，LED電壓還會隨著溫度而變化。想要確保燈具的使用性及信賴性，我們必須了解幾個會影響LED電壓的因素，適當的評估誤差值，才能正確選擇驅動器的輸出電壓規格。本篇文章分別介紹三個影響LED電壓的最大因素，簡要的說明考量點及預估。此外，針對溫度的影響，新型LED電源具備了環境適應功能，這對燈具設計有何好處也會在以下說明。文章最末，會提供一個完整設計考量的例子供參考。一般燈具設計都會牽涉到光學、熱學及電學。燈具的主要目的當然是要滿足應用環境對光的要求，像是照度或是色溫等等。要滿足這些要求，首先LED的型號、種類、數量及驅動電流必須先定義。當以上條件決定後，每個單顆的LED驅動條件基本上已設定完成，燈具整體功率也隨之固定。然而燈具整體的電壓和電流，取決於設計者如何排列組合LED，可是全部串聯，或是有串聯有並聯，而這部分的考量通常與安規要求的最高電壓或是LED模組化的設計有關。燈具整體概略電壓可由下列公式得出。
Vforward_total = Vforward x Num/String
上述公式相對簡單並可提供設計者一個概略方向，但對燈具的最終設計來說，卻有所不足。完整的設計考量至少還需注意到以下三點：
1) LED 的V-I特性
2) LED的生產差異
3) LED的溫度係數
以下分三段做說明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲線如圖一所示，LED電壓不受流過電流影響。然而實際上，LED的驅動電流是會影響LED上的電壓。以圖二為例，當LED操作在350mA時，電壓約3.2V，當操作在1A時， 電壓會升到3.8V。單顆的小壓差在多顆LED串聯時會變得更明顯。設計者需注意LED規格書上標稱電壓測試的電流條件是否與燈具設計一致。如果燈具採用的是另一個電流，或是電源的纹波電流峰值變化較大，則應根據V-I特性曲線重新估算電壓值。
LED 生產差異
LED的順向偏壓會有一定程度的生產差異。一條成熟的LED生產線通常差異會較小並呈常態分布，如圖三。生產差異對LED電壓的影響通常小於10%，這可以從LED 規格書上參考電壓的最大值與標準值比例看出。確切的數值或是分布曲線則必須詢問LED製造商。
雖然說最極端的狀況可能是 +/- 10%，但實際上使用時，越多LED在同一串，機率上越有可能接近中間值。如果客觀條件允許，通常建議電源保留10%的餘裕，一來可確保驅動電流不受LED的生產差異影響，二來即使沒用到此區間，將電源少許降載也對延長電源壽命有所幫助。
圖三 LED Vf 生產常態分布
1) LED 的V-I特性
2) LED的生產差異
3) LED的溫度係數
以下分三段做說明。
LED的V-I特性
理想的LED V-I曲線如圖一所示，LED電壓不受流過電流影響。然而實際上，LED的驅動電流是會影響LED上的電壓。以圖二為例，當LED操作在350mA時，電壓約3.2V，當操作在1A時， 電壓會升到3.8V。單顆的小壓差在多顆LED串聯時會變得更明顯。設計者需注意LED規格書上標稱電壓測試的電流條件是否與燈具設計一致。如果燈具採用的是另一個電流，或是電源的纹波電流峰值變化較大，則應根據V-I特性曲線重新估算電壓值。
| Characteristics | Unit | Minimum | Typical | Maximum |
| Forward voltage (@350mA, 85°C) | V | 3.2 | 3.48 |
表 一 規格書Vf參數
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| 圖一 理想V-I曲線 | 圖二 實際V-I曲線 |
LED 生產差異
LED的順向偏壓會有一定程度的生產差異。一條成熟的LED生產線通常差異會較小並呈常態分布，如圖三。生產差異對LED電壓的影響通常小於10%，這可以從LED 規格書上參考電壓的最大值與標準值比例看出。確切的數值或是分布曲線則必須詢問LED製造商。
雖然說最極端的狀況可能是 +/- 10%，但實際上使用時，越多LED在同一串，機率上越有可能接近中間值。如果客觀條件允許，通常建議電源保留10%的餘裕，一來可確保驅動電流不受LED的生產差異影響，二來即使沒用到此區間，將電源少許降載也對延長電源壽命有所幫助。
圖三 LED Vf 生產常態分布
LED 溫度係數
LED電壓屬於負溫度係數，這意指當溫度上升時電壓會下降，反之，溫度低時電壓相對高。燈具的熱流設計通常會平衡LED的自發熱，因此在穩態的時候，LED的溫度及電壓也相對固定。對電壓而言，最嚴苛的條件會落在燈具冷啟動時。LED規格書表格中的電壓通常都設定在常態工作溫度，若需估算冷啟動電壓，則需參考V-T曲線或是利用LED製造商提供的工具軟體輸入參數(Tj)而得。
溫度係數與前面兩個因素(電流、生產)最大的差異是，溫度對電壓的影響是暫時性的。當LED啟動後， 因自身發熱，電壓會逐漸降低回到正常位準。也就是說，電源其實不需要無條件地保留冷啟動所需要的電壓餘裕，只需在啟動後一小段時間，暫時性的提高輸出電壓範圍。
市面上有部分進階機種提供了環境自適應功能，允許驅動時檢測和自動調節輸出電壓電流，在燈具達到穩定運轉狀態後進入恆流區域。HLG-480H-C系列就具備此項功能，電源可以自動降低電流並提高電壓最多到120%，以確保燈具在低溫時能順利開啟，當燈具開啟並升溫後，電流自動回復到原始設計值。這樣的設計可確保燈具低溫開機，同時不影響電源的壽命，設計者也不需要多花預算選用較高功率的電源來確保開機的短暫需求。舉一個實際的數字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低溫(如 - 40°C)時，可提供高達412V的暫態電壓直到燈具進入穩定工作。
圖四 V-T曲線
HVGC的constant power 系列也有類似功能，使用者可經由調光控制，暫時性的降低電流並提升最高輸出電壓。其它機種也有許多可能性，如您有關於LED冷啟動的相關問題，歡迎詢問各地明緯電源專家。
電壓計算範例:
某燈具共使用100顆LED驅動在1.05A，燈板上2並50串，燈具裝置的最低環溫是0°，設計者應如何決定合適的LED電源？
方式一：詢問LED製造商有無工具軟體可以使用，將參數輸入，直接得到答案。
方式二：從LED 規格書，參考相關資料得到答案。
LED電壓屬於負溫度係數，這意指當溫度上升時電壓會下降，反之，溫度低時電壓相對高。燈具的熱流設計通常會平衡LED的自發熱，因此在穩態的時候，LED的溫度及電壓也相對固定。對電壓而言，最嚴苛的條件會落在燈具冷啟動時。LED規格書表格中的電壓通常都設定在常態工作溫度，若需估算冷啟動電壓，則需參考V-T曲線或是利用LED製造商提供的工具軟體輸入參數(Tj)而得。
溫度係數與前面兩個因素(電流、生產)最大的差異是，溫度對電壓的影響是暫時性的。當LED啟動後， 因自身發熱，電壓會逐漸降低回到正常位準。也就是說，電源其實不需要無條件地保留冷啟動所需要的電壓餘裕，只需在啟動後一小段時間，暫時性的提高輸出電壓範圍。
市面上有部分進階機種提供了環境自適應功能，允許驅動時檢測和自動調節輸出電壓電流，在燈具達到穩定運轉狀態後進入恆流區域。HLG-480H-C系列就具備此項功能，電源可以自動降低電流並提高電壓最多到120%，以確保燈具在低溫時能順利開啟，當燈具開啟並升溫後，電流自動回復到原始設計值。這樣的設計可確保燈具低溫開機，同時不影響電源的壽命，設計者也不需要多花預算選用較高功率的電源來確保開機的短暫需求。舉一個實際的數字，HLG-480H-C1400 可操作在171~343V，而在低溫(如 - 40°C)時，可提供高達412V的暫態電壓直到燈具進入穩定工作。
圖四 V-T曲線
HVGC的constant power 系列也有類似功能，使用者可經由調光控制，暫時性的降低電流並提升最高輸出電壓。其它機種也有許多可能性，如您有關於LED冷啟動的相關問題，歡迎詢問各地明緯電源專家。
電壓計算範例:
某燈具共使用100顆LED驅動在1.05A，燈板上2並50串，燈具裝置的最低環溫是0°，設計者應如何決定合適的LED電源？
方式一：詢問LED製造商有無工具軟體可以使用，將參數輸入，直接得到答案。
方式二：從LED 規格書，參考相關資料得到答案。
- 步驟一： 查閱LED V-I曲線， 訂出中間值電壓
- 步驟二：50串所以總電壓為單顆的50倍
3.8 (V) x 50 (pcs) = 190 V
- 步驟三：考慮生產誤差
b. 3.48 (V) / 3.2 (V) = 108.75 %
c. 190 (V) x 108.75% = 206.6 (V)
小結:
LED 穩態時總電壓中間值為 190V。
LED穩態時總電壓最高值為207V* (假設LED電源纹波電流極小可忽略)。
LED穩態時總電壓最高值為207V* (假設LED電源纹波電流極小可忽略)。
- 步驟四：參考溫度係數
從圖四看出, LED (350mA) 在85°C的時候是3.2V, 0°C的時候是3.6V
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷啟動時
LED 總電壓中間值為190V x 1.2 = 228 V
LED 總電壓最高值為207V x 1.2 = 248.4 V
LED 電源選用
建議機種 HLG-480H-C2100，原因如下述。
燈具穩態時一般會操作在190V / 2.1A (399W)條件下，最差狀況是207V (435W)。此條件HLG-480H-C2100皆可滿足。同時它的纹波電流機低可以忽略。冷機時，最高電壓會到249V，這雖然不在它的固定輸出範圍內，但它的環境自適應功能可提供最高275V的暫態電壓，可保證開機的穩定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的機種。
3.6 (V, Tj=0) / 3.2 (V, Tj=85) = 1.125 < 1.2
冷啟動時
LED 總電壓中間值為190V x 1.2 = 228 V
LED 總電壓最高值為207V x 1.2 = 248.4 V
LED 電源選用
建議機種 HLG-480H-C2100，原因如下述。
燈具穩態時一般會操作在190V / 2.1A (399W)條件下，最差狀況是207V (435W)。此條件HLG-480H-C2100皆可滿足。同時它的纹波電流機低可以忽略。冷機時，最高電壓會到249V，這雖然不在它的固定輸出範圍內，但它的環境自適應功能可提供最高275V的暫態電壓，可保證開機的穩定性。因此HLG-480H-C2100是最佳的機種。