中文简体版   English   星期二 ,6月 18日, 2019 (台北)
登入  申請試用  MY DIGITIMES236
 
DTline
新書宣傳

增開路保護器改善電流突波、供電穩定問題 延長LED燈具壽命

  • DIGITIMES企劃

LED光源照明模組可以使用小區塊照明模組組合,再搭配區域性的電路保護設計,避免單一光源元件毀損導致照明功能故障失效。Donghailong

照明用LED為提升發光效能驅動電力相對較大,若供電系統輸出穩定性不佳,或裝設環境的電力供應品質不良,外部供電的不穩定變化即會直接影響LED燈具壽命,甚至直接造成燈具損壞…

由於LED固態照明有光電轉換效率高、壽命長、環保節能等多項優點,隨著LED照明應用在室內內照明場合滲透率增加,戶外用照明的使用量也逐步提升,尤其LED固態照明的高光效與較長的使用年限,也成為LED增加戶外照明應用的主要誘因。

戶外用高瓦數的照明模組驅動電力大,必須針對供電系統增設電源穩定設計,搭配驅動保護電路與開路保護器,提升設備使用安全性。Coming Technology

驅動電路設置TVS保護元件,可提升電路突波與電壓不穩問題的保護效果。TTI

在LED光源驅動電路增設開路保護器,可大幅提升驅動電路的保護效果。Littelfuse

提升亮度、輸出效率  LED照明光源偏壓、驅動電流須對應提升

基本上LED不管室內或戶外用照明設計,在驅動電流、電壓設計大多有一致的方向,因為LED固態照明為了提升光輸出的流明表現,必須在驅動電能的功率進行一定程度提升,藉此提高照明應用的亮度表現,但LED固態照明元件畢竟仍是半導體電子零組件,在耐受外部偏壓與驅動電流的表現方面仍有其極限,若無節制地提升外部偏壓、驅動電流,一旦超過LED元件本身的最大功率限制,發光元件很容易因此故障、燒毀。

除了受限於LED固態光源元件本身的驅動電壓、電流元件限制外,外部驅動所增加的電壓、電流,其實在面對不穩定的光源設置環境,也極可能因為驅動電路或供電迴路的瞬間突波、電壓變化導致LED光源故障燒毀,除電力來源端的變動問題,設置於戶外的LED照明燈具也極容易因環境靜電放電(Electrostatic Discharge;ESD)導致設備損壞,沒有針對電力穩壓與ESD保護的LED燈具,往往是LED固態光源還未達到壽命年限就提早故障的主要原因。

SCR/Zener diode保護效用有限

相較室內用的LED照明應用,室外設置的LED光源對於電源不穩的問題更為嚴苛,為了提升LED元件的壽命與穩定運作效用,一般採行矽控整流器(Si-controlled rectifier;SCR)或齊納二極體(Zener diode)保護電路設計,在保護能力上僅算勉強夠用,反而必須採行電路安全性更高的開路型保護器,在發生供電不穩或是外部靜電ESD問題時即時將外部電源供應電路斷路,避免電源瞬間變動導致後端光源元件、電力驅動元件因此造成元件損壞。

除室外燈具LED應用外,在車用LED照明或燈號應用也相當常見,目前主流車款的車尾警示燈號大多已採用LED燈組取代,LED發光元件特色在於體積小、驅動電力小、可設置於各種平面上,由於發光元件為固態設計,在耐震動、耐衝擊的效用會比使用鎢絲或氣體放電的傳統車用燈具更為耐用,同時半導體光源可使光源啟/閉速度極快,用在安全警示或是照明用途表現極佳。LED光源可低電壓驅動,不同燈色驅動電源可以僅在3~4伏特進行驅動,但LED仍有許多問題點尚待突破改善。

適時關閉問題電路  避免LED燈具提早出現光衰

LED固態光源本身會因為環境溫度、自體元件的發熱狀況,影響燈色與輸出表現,尤其是長時間在高溫下運作會使LED光源元件提早出現光衰現象,最後導致LED無法點亮;在電氣性能方面,LED元件可能因為車體靜電、環境周遭的閃電等導致元件遭電流擊穿、故障,常見LED組裝方式會使用串接方式節省驅動電路設計複雜性,但串接LED光源若系統中有少數幾個LED元件出現短路故障,短路的元件會因為電流於故障元件上持續驅動而導致元件產生高溫,在元件溫度持續累積下導致元件故障斷路,這在戶外照明就會額外增加維護與設備更新成本,因為戶外燈具通常設於高處,或是高樓的廣告看板照明,導致更換光源的成本相當高,如果可能應該盡量提升光源耐用度、減少維護成本。

更有效的做法是將LED照明光源改採模組化設計,即對於大型照明模組內不使用簡陋的LED光源元件串接,而是使用數個一組的形式以局部光源模組組成完整的照明光源模組,而在最小單位的照明模組設置因應靜電放電ESD與電源突波問題改善的TVS(Transient Voltage Suppression)或MOV(Metal Oxide Varistor)電路安全元件,同時針對局部的單位光源模組設置較高防護能力的開路保護元件。

驅動電路增設開路保護器  隔離問題電路效益大

也就是說,當最小單位的光源模組遭遇電源突波或ESD狀況,仍可以驅動電路設置的保護裝置進行元件保護,而當最小單位光源模組出現光源元件短路或斷路、偵測驅動電壓可能導致更嚴重的損壞時,開路保護器直接將最小單位的光源電路開路保護,使故障線路問題不至於影響到整個LED照明光源運作,可能整個照明光源會因為少了局部幾個小光源區塊模組導致亮度略受影響,但仍可維持一定程度的照明效用而不會整個故障無法使用。

在選擇開路保護器也有幾項重點需要評估,首先,設計線路與保護元件選擇之前,要先確認LED光源元件的規格與驅動參數,如正向電壓、正向電流等,而受保護的光源元件是針對多少數量的LED光源元件進行分組保護?也必須針對實際設計現況選擇對應的保護元件。同時,也要評估整個LED照明光源的LED元件使用數量,進而估算整個燈串會用上的驅動電壓,藉此決定開路保護器的驅動恆流電壓數值,其餘如LED光源元件採串聯或是併聯?電路設計方式,都會影響開路保護器選擇與對應設計方案。尤其是要重視開路保護器的維持電流與切換電流值,必須在照明系統所預估的故障況況內進行設計,例如開路保護器的操作溫度預期範圍,同時要針對LED光源輸出光色、亮度,等當驅動條件出現變化時,LED光源的照明效果都能達到最初的設計要求。

對於照明光源的電路安全設計,並非保護元件越多越好,反而應該視實際設計的需求進行規劃設計,對於高強度、高耐用度的照明系統,可以採行較高規格的保護設計,成本與光電轉換能效也會相對受到影響;而對於一般照明或是規格要求一般的LED光源設計,就可以將局部模組的LED光源元件數量增加、降低保護電路的設計項目,在維持基本光源耐用度與照明需求的同時,亦可達到最基本的電路安全保護。