LED燈節能之鑰─電源模組

專業學員在研討會空檔，聚集凱鈺展示攤位詢問技術問題。

LED燈要做到最大的省電效果，電源模組扮演了極重要的角色。凱鈺科技市場部資深經理何紹加在論壇中針對凱鈺的LED照明電源管理方案提出說明，並且分析未來技術上的挑戰。

LED照明市場狀況

何紹加首先闡述LED和照明發展狀況。他表示，LED具備省電、壽命長、無汞污染、體積小、色彩豐富、堅固耐用、反應快易控制、效率和指向性佳、不產生紅外或紫外線等特性。另一方面，燈的概念由1800年代開始形成，1810年燈燭發明，經過60年後1879年愛迪生發明白熾燈，盛行60年後，螢光燈在1938年發明。60年後也就是1996年，新一代照明技術在全球暖化問題惡化之下受到重視，加上白熾燈預計在2012年禁用，白光LED導入照明成為趨勢，有機EL也是另一個可能的技術。

LED技術不斷進步，因而得以進入照明市場，紅光、黃綠光、橙色光於1990年以前商品化，1993年和1994年，GaN藍光和綠光分別商品化，1996年白光LED商品化，2008年商品化的白光LED達到100 lm/W，2009年Nichia更展示達到249 lm/W的白光LED。

根據Strategies Unlimited 2009年預估，冷光和暖光LED在2010年發光效率分別達120 lm/W和100 lm/W，並將持續增進，2013年將分別達150 lm/W和130 lm/W。

目前LED燈可取代的部分包括球泡燈、PAR燈和反射燈、MR16、燭光燈、水銀燈管或螢光燈，Strategies Unlimited預估2008到2013年，年複合成長率分別有146%、211%、92%、119%和45%，整體複合成長率則為134%。

LED燈成長有幾大原因，照明為人類基本需求，但是生產和使用過程中，耗能與成本龐大，然而能源使用效率卻明顯偏低，造就效率相對高的LED需求。並且照明使用電力過程中，間接產生最大量的二氧化碳，另外，各政府都不約而同在2010~2015年間禁用白熾燈泡、螢光燈含汞，未來可能也會被禁用，都使現階段燈具需要改變。但LED是否足以取代螢光燈則是另外衍生的問題。

日本LED燈泡熱賣的原因，IEK分析由於LED技術成長，暖光在這一年從83 lm/W增加到97 lm/W，冷光從132 lm/W增加到147 lm/W、價格下滑，剛推出時要9,000日圓，在日本廠商的積極投入下，現在已降到2,000~3,000日圓、節能意識抬頭、電費高(約台灣的2.5倍)、LED照明普遍認知高和政府政策支持，提供消費者環保積分制度，購買LED燈可以即時兌換等因素。

LED照明電源管理方案

分析LED燈具的成本結構，散熱元件占30%，電源供應系統占20%，組裝部分占5%，LED元件最貴，占45%。美國能源署希望每年以8~8.5折的速度下滑，甚至更快，因而在2012~2015年即能取代傳統燈源。

電源模組在LED燈的構造中，可說扮演節能之鑰，基本要求為輸出入電壓的差異、最大輸出電壓、不同電源、負荷與溫度下的效率，HV LED是可能的趨勢。使用環境包括使用壽命(依環境設定)和操作溫度。技術特性包括功率因素校正(PFC)和驅動系統的測量方法。保護功能有電源突波、過電壓保護、使用上的額外保護。相容性包括與特殊調光系統和與環境光感測器兩方面。

電源模組方案分為線性式(Linear)和開關式(Switching)，線性式的優點為：無EMC問題、外部零件較少、電流穩定性高和模組體積較小，缺點為效率問題、熱的問題和設計限制多。開關式的優點為效率高、電流穩定性高，缺點為外部零件多、設計較為困難、體積較大和EMC問題。凱鈺綜合線性與開關二式之優點，提供四種方案，分別為凱鈺提供可攜式解決方案、開關式解決方案、隔離式解決方案和非隔離式解決方案，適用於不同的燈具市場。

LED照明電源管理技術的挑戰

LED燈面臨許多挑戰，包括價格昂貴、取代傳統燈的設計和製造、電源和驅動電路的設計、溫度設計的考量、光學和形狀的設計、產品的可信度和品質問題、教育客戶使用、PF的需求殷切、LFL和CFL的競爭壓力。

LED照明電源管理技術也有許多挑戰，包括電磁相容、電源模組效率、電源模組功因調整、電源模組體積，例如PSR和power mos內建將會有效的降低周邊零件的使用，使整體的電路所佔的體積縮小。還有調光技術，例如歐美用的TRIAC、ON/OFF、PWM、線性等調光技術，都各有優缺點該如何整合，會是這一階段設計者需要考量的因數之一。

其中，電磁相容包括電磁干擾(EMI)和電磁相容性(免疫力)(EMS)，前者如矛，指產品有對外干擾(輻射或傳導)現象，後者如盾，測試產品對外界雜訊抗其干擾的能力，如何將產品的電磁波防制，做到不干擾和不被干擾也是一個重要的課題。輻射式干擾依實際狀況在應用上解決，傳導式常用的解決方法有LC型和π型濾波器。控制IC有開關式和線性式，前者可藉由頻率調變，後者無EMC問題，但需考慮效率。

被動式功因調整可以做到0.9，現在則可達0.8，結構簡單、價格低廉、工作頻率與電源相同、但被動元件體積大、重量重，且須針對特定輸入電壓和負載條件來設計。凱鈺可提供對應的被動式填谷濾波器來修正整體的功率因數，讓LED驅動器的功因達85%以上，讓節能減碳跨出重要的一部。凱鈺科技即將開發出來的驅動器將採用主動式的功因調整，其整體的功因達95%以上，期望對世界貢獻出心力。