BCD高效率高功率因素LED照明驅動解決方案
- DIGITIMES企劃
-
LED照明光源，其實是相當新奇的產品，全球的LED光源製造商都在嘗試，如何能達到低成本、高效能，光性、電性達到取代白熾燈傳統燈具的應用效益，尤其在成本方面的考量，對比目前主流白熾燈、CFL省電燈泡的電性、光性表現，LED照明產品應該重新檢視產品設計重點，進一步提升成本與性能優勢...
因應全球的環保、節能議題，LED照明光源產品，近年成為熱門的話題產品，市面上已有大量可取代傳統照明光源的LED球泡燈、桶燈、直管燈等，以今年LED照明燈具市場觀察，LED照明產品可以做到1.5億支，而預估2015年，市場可以做到10億支以上。
但在產品的應用方面，目前的使用考量仍為以LED新式照明光源來替代白熾燈、CFL省電燈泡，但較讓生產方糾結的是，LED光源所使用的晶片壽命表現，因為LED可以很輕易地做到50,000小時壽命，而若為了維持50,000小時的產品壽命表現，周邊零配件可能會因此而墊高料件成本，影響產品的市場競爭力。
LED照明產品 應設定合宜的性能指標
其實反觀CFL省電燈泡壽命要求，一般市場產品標示多為6,000小時壽命表現，但實際上歐盟所要求的6,000小時使用壽命並不是生產產品99%都能達標，而是僅需要50%產品可以達到6,000小時要求即可，而民眾購買CFL燈具就像摸獎一樣，運氣好的人可買到壽命可達6,000小時的燈具，運氣不好的民眾買到的產品可能壽命連600小時都沒有！
再來，檢視LED照明燈具的壽命，其實可以很容易做到10,000小時，而且與CFL不同的是產品的達標率可達極高的99%！對LED若希望以相同的成本價位來代替CFL省電燈泡，其實燈具設計並不需要追求極高的50,000小時壽命標準，而50,000小時已經達20年，但20年很多東西都能換，更不要說是LED燈泡，產品設計需朝向更務實的成本優先考量，來選擇合宜的設計方案。
至於安全規定方面，在燈具設計上，「安全」要求是必要的，以白熾燈來說，其實LED的安全性絕對是相對較高的設計方案，早期LED照明燈具都要求需要以隔離方案進行設計，但現在的產品需求有80%都開始要求需要非隔離設計方案，而且，現在在機構部分已逐步解決非隔離方案的安全性問題，讓產品製造成本壓低，騰出更多空間來思考以電的角度，如何來降低整體的產品成本，光是採行非隔離設計方案，就能讓成本降低15%。
再來檢視電性的相關指標，基本上效率是越高越好，而根據負載不同若使用非隔離方案，功率因素可以在90%起跳，此外，採用非隔離設計方案不僅機構成本將降低15%，在效率也相對提高了10%！這表示成本又可再降低10%，而LED照明光源產品市場的趨勢，亦往非隔離設計方案趨勢移動。
LED驅動電流精度設計
檢視「電流精度」問題，電流精度表現與負載關係大，從溫度、輸入電壓、負載、系統穩定性有關所有指標加在一起的最後表現，一般要求輸出僅能有2%、3%差異，但此電流精度要求的設計趨勢是會逐步朝放寬方向調整，因為對比傳統白熾燈的電流精度表現僅20~30%、CFL省電燈泡的電流精度表現也不怎麼樣。
而因應LED照明光源的持續成本壓縮壓力，多數業者深受功率因素、紋波、諧波問題困擾，其中以紋波較為明顯，尤其是紋波對於生物性的影響，近期已有相關研究針對50Hz紋波對生物性的影響，提出可能造成人或生物的健康疑慮，雖然研究結果是否與紋波有絕對關係尚未有定論，但至少紋波問題是相關電路設計需要改善的重點。
不只是LED燈具有紋波影響，實際上白熾燈泡、CFL都會有閃爍的紋波問題，多數國家會希望把紋波指標訂在10%以下，這對生物性的安全疑慮是相對安全的區間，但恰恰紋波問題與功率因素是直接矛盾，一般若以紋波指標在10%，即很難將驅動電路做到0.9功率因素表現，而若要求功率因素需達到0.9，那紋波約在30%左右，較合理的設計方案與電性表現，會將紋波設在10~30%之間，置於紋波與功率因素的表現如何配比，就看廠商較看重視哪項指標再做設計取捨。
實際LED照明產品設計趨勢，再經過與標準制定單位的互動協調後，較現實的狀況考量會將紋波設在30%表現上下，再根據不同的功率段設定對應的功率因素表現，例如，10W以上為0.9，7W以上為0.7等，這會讓產品設計更務實。
LED的調光設計方案
而在調光方案方面，LED照明產品是數位型態的產品，基本上LED是運用模擬方案進行亮度調節，傳統類比電路調光並不適合LED新式光源，只是為了相容於白熾燈的應用系統，往後LED光源產品可能會發展出數位調光，例如，調整輸出色溫、RF無線傳輸控制點滅，或是其他智慧調光設計方案。
針對調光設計方案的全球應用需求，約佔LED光源應用產品的15%，相關方案對調光器要求以相容性為主，目前全球約有500多種調光器，歐洲230V因應高電壓的調光器約有400多種、因應低電壓設計的調光器約有50~100種。至於調光的範圍與線性表現，人眼的實際感受是對暗的明暗表現較敏感，在調暗時需要光亮度下降的速度較慢、亮時需自功率功率調整較快，達到較佳的視覺線性表現，其他指標如功率因素、紋波、諧波等電性指標，都與非調光產品要求一致。
觀察現有電源方案，大多在紋波的表現很差，約在60~80%，而在BCD角度所提供的方案相當簡單，針對可替換方案，我們提供1680、1682、1681、1662等解決方案。1680為低功率7W以下產品適用的產品，1682為針對高功率需求設計的方案，1681為與調光器結合，可搭配1682整合產生較好的調光特性，置於1682方案所然相關解決方案很多，但BCD的產品為真正Active PFC+PSR(圓邊反饋控制器)，因為提高功率因素的設計方法有很多，而BCD方案是相對具高功率因素、低諧波的應用方案。
BCD採行特有的專利方法，為利用感測電壓去創造一個完美的正弦波，此種方式可以很方便的在輸入電壓範圍內產生很高的功率因素，若採行一般設計方案，可能在因應全電壓範圍而要達到高功率因素就需面臨相當大的設計挑戰。
在BCD方案中，改善功率因素的設計項目幾乎可以完全不用愁，使用BCD方案可以輕鬆達到95%水準。一般改善紋波需要搭配電解電容進行抑制，BCD的產品為以紋波30%為標準來進行設計，相關方案移做管燈，可對應18W、28W、7W等多變終端產品形式，輕鬆完成驅動電路設計。
至於調光器的設計問題在於，一般類比調光器的功率都很大，有40W、60W、100W不等，但換在LED光源燈具設計時，同樣亮度所需的功率僅1/4至1/5，所以電源的負載非常的低，尤其在調光器處於暗部輸出時，僅零點幾瓦的輸出，，這時控制晶片會認為負載幾乎為0，這時控制晶片會以為已經把電關掉，進而造成燈具閃爍問題。
為了達到設計相容，一般是搭配洩流電路，提供一個最小的維持電流，讓調光器知道，電路還是有負載的。但調光器種類太多、所需的維持電流大小不一，這造成很多方案設計在整合時的開發困擾。另調光器的線性度也是一大問題，因為人類的肉眼感覺在判斷調光線性表現時，會對於暗部反應特別敏感。
BCD應用方案 具可量產、因應安規設計需求
BCD方案與多數廠商有極大的不同，BCD為採Active PFC的方式搭配驅動電路設計，因應的升壓、升流需求，利用Active PFC進行升壓動作、再利用PSR圓邊反饋控制器進行處理，將電路設計問題簡化，變成兩級的前？後關係，而調光模式可以視設計需求，採PWM或其他Smart控制方案，採行BCD方案可在紋波表現達10%~20%、同時維持功率因素達0.9。
因為此方案元件稍多、成本高，適合用來整合15W大功率應用方案，如吸頂燈、Down light等面光源形式燈具產品，因為面光源採多LED實現，用戶會更容易感受到紋波與閃爍問題。尤其在LED燈具的高端應用、高特性要求場合，均可以考慮BCD方案。
美國在LED設計方案中，調光器使用量相當大，可能是因為美國居家環境通常空間較大，需要較大型的面光源所致，但好消息是，美國的調光器相關方案較少，大約僅有50幾種，調光器可做單級方案，好處是便宜、但缺點會在相容性較差、功率因素稍低。一般調光器設計的方案紋波表現約為70%~80%，大部分都在表現上相對較差。對比BCD應用方案，則可將紋波壓低到20%，品質會好非常多。
至於BCD的參考設計相當豐富，現有設計方案均為根據客戶需求進行設計，方案相當完整、幾乎覆蓋了所有的產品尺寸需求，如E27、T8...等均相當齊全，產品方案包含隔離、非隔離設計都有，全電壓輸入、單電壓書入，功率因素7W以下0.5、7W以上0.95表現優異，目前BCD提供的應用解決方案都是具備量產水準的產品，不僅安規要求可以輕易滿足，相關解決方案也不乏有大型的指標客戶採納。
據BCD觀察，去年全球最賺錢的照明公司仍是生產白熾燈的相關業者，至於CFL省電燈泡則是不賺不賠，反而全新型態的LED照明燈具卻是賠錢的狀態，在投入LED市場，若仍是糾結於高端指標打轉，反而會讓產品的成本過高難以達到取代傳統燈具的效益，消費者不見得會買單，相關應用方案應更強調成本優勢，BCD是有晶圓廠的解決方案業者，可以提供具成本優勢、具競爭力的應用方案。
