定電壓LED電源搭配定電流(DC to DC)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動LED注意事項

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文:藍樺/工程部
hank@meanwell.eu

隨著綠能省電概念的普及，LED照明也越來越受民眾接受，但設(shè)計者對于如何挑選合適的LED驅(qū)動器仍然是一知半解；希望藉由本文讓設(shè)計者能更了解使用定電壓LED電源搭配定電流(DC to DC)轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動LED要注意的事項。

在進入主題之前，先介紹一下目前常見的LED燈具電路驅(qū)動設(shè)計有以下三種搭配模式：
1) 直接驅(qū)動 : COB LED模塊接定電流LED驅(qū)動器，燈具的亮度及電流由LED驅(qū)動器控制。為目前市場主力，大多是高效能高功率燈具應(yīng)用
2) 燈條內(nèi)建簡易限流電路:12V或24V LED燈條搭配定電壓電源使用，燈條上電流由電壓與LED之間的電阻或簡易晶體管限流電路決定，大多用于間接照明與小功率直接照明應(yīng)用。
3) 外加或內(nèi)置電壓:電流轉(zhuǎn)換器使用定電壓電源，中間利用定電流輸出的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，輸出定電流到LED 模塊上，電流主要由中間的電壓-電流轉(zhuǎn)換器(DC to DC)控制。類似分配式電源應(yīng)用，一個較大功率的驅(qū)動器提供能量，后級電壓- 電流轉(zhuǎn)換器限制LED電流。
第三種方式- LED驅(qū)動器搭配主動式電壓-電流轉(zhuǎn)換器較有可能發(fā)生匹配問題。以下即探討定電壓電源搭配電壓-電流轉(zhuǎn)換器(DC to DC)來驅(qū)動LED模塊時需要注意的事項。


電壓-電流轉(zhuǎn)換器：

一般常用在LED限流的直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)有三種，升壓式(boost)、降壓式(buck)或是 升降壓式(buck-boost)。無論何種轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓允許值都具寬范圍特性，當(dāng)輸入電壓在一定區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器都會將輸入功率轉(zhuǎn)換成特定的輸出值。當(dāng)輸出負載為穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出入的功率都會在一定值，固定功率的概念為高輸入電壓低輸入電流，低輸入電壓高輸入電流，輸入功率公式如下 :

使用電壓-電流轉(zhuǎn)換器(DC to DC)可能出現(xiàn)之問題：
市售直流輸入的長條形燈管或小型聚光燈成品，通常內(nèi)部會含有類似明緯LDD系列或LDH系列電壓-電流轉(zhuǎn)換器，此類燈具產(chǎn)品外部通常只會標示一個標準輸入電壓(例如輸入:24VDC)，但實際工作的電壓范圍遠比規(guī)格標示上的寬。



圖一 小型聚光燈

以LDD-350H的規(guī)格來解釋說明，LDD-350H的輸出電流為350mA，輸出與輸入電壓范圍分別是: 輸入9~56VDC，輸出2~52VDC。實際輸出電壓由LED負載決定，而輸入電壓只要是比輸出電壓高3V都是可操作范圍。意思是當(dāng)LED順向偏壓是9V，則LDD-350H輸入在12~56VDC范圍都會正常工作。


圖二 LDD-H規(guī)格



由于實務(wù)上因為24V電壓電源較為普遍，很可能在該燈具目錄上會建議搭配24V電源來使用，在信息不完整情況下，有可能會造成系統(tǒng)組裝者誤判，并發(fā)生電源搭配性問題，此類問題與輸入開機時的瞬時有關(guān)，可能的現(xiàn)象是開機失敗或開機時燈具閃爍，以下針對問題做更詳細說明。

狀況一：定電壓電源供應(yīng)器可供應(yīng)的電流不足。

主因為電流轉(zhuǎn)換器啟動電壓低于前端電源供應(yīng)器的額定電壓，當(dāng)在低壓啟動工作下，電流轉(zhuǎn)換器需求電流高于電源可輸出電流值。以圖三為例，輸出端燈條每條上的LED電壓電流是9V/1A，30條并聯(lián)時總輸出就是270W。如果燈具或轉(zhuǎn)換器輸入電壓標示為 24V 輸入，一般人可能會選 24V、大于300W的LED驅(qū)動器，比如說HLG-320H-24。
 


圖三 裝配示意圖
 

HLG-320H-24規(guī)格書顯示其最大輸出瓦數(shù)是320.16W，最大輸出電流是13.34A。如果單依規(guī)格來看，用于驅(qū)動此燈具似乎沒有太大問題，但實際狀況是當(dāng)電流轉(zhuǎn)換器后端接的是9V的LED時，降壓式轉(zhuǎn)換器會在12V輸入時就會啟動，因為驅(qū)動器從開機到輸出升到正常電壓需要一定時間，若轉(zhuǎn)換器的輸入點低又無軟啟動機制(輸出功率由低至高漸增)，有可能在HLG-320輸出從0V升到24V的過程中，轉(zhuǎn)換器即開始全輸出工作，此時因需求電流高于HLG-320H-24所能供給，因此PSU輸出會被拉低并中斷，燈具則可能閃爍、亮度偏低或完全無法開機。
電流轉(zhuǎn)換器在24V與12V時的輸入電流如下時，需高一倍的輸入電流以維持預(yù)期的輸出規(guī)格。

  • 工作電壓 24V 時 電流轉(zhuǎn)換器輸入電流
         270W=24V ×11.25A
  • 工作電壓12V時 電流轉(zhuǎn)換器輸入電流
        270W=12V×22.5A


圖四 DC/DC 在不同輸入電壓下工作狀況.



圖五 HLG-320H規(guī)格

 
狀況二：定電壓電源實際輸出電壓不在工作范圍內(nèi)

以圖六為例，當(dāng)LED規(guī)格是6V/20A時，降壓式轉(zhuǎn)換器可能在9V以下就開始工作。如電源AC開機后來不及升到正常電壓，轉(zhuǎn)換器即開始全功率輸出，即使電流仍在電源可接受范圍內(nèi)，但因電壓已低于最低工作范圍，電源無法穩(wěn)定工作，會進入打嗝模式重新啟動。此時，燈具雖短暫點亮，但因電源無法穩(wěn)定工作會進入反復(fù)閃爍狀態(tài)，直到電壓升到可工作區(qū)間 (>12V)。
 


圖六 9V即啟動，HLG-320H來不及升到正常電壓，會進入重啟模式


圖七 HLG-320H-24工作區(qū)間及DC/DC工作曲線
 
由上述二例可知，問題主因是電流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)實際啟動電壓低于燈具外部標示，當(dāng)進入低壓啟動，電源可能無法在正常工作的條件下運作而產(chǎn)生問題。
解決方案：

如燈具出現(xiàn)此問題時，可以下列方式解決:
一 ) DC/DC Soft Start or Delay Start

使用具軟啟動的轉(zhuǎn)換器，在啟動初始時，DC/DC會漸進式的提升輸出入功率，此機制可避免inrush current并有助于前端電源順利升壓至正常輸出電壓。

二) 使用DC Switch 或 具Dim Off的轉(zhuǎn)換器

pPSU 電壓成功建立前(@230VAC < 0.5sec)，DC/DC 可先以Dim off 方式關(guān)閉或在前方加DC switch切斷電源輸出至DC/DC的回路，當(dāng)電壓成功建立后再開啟DC/DC，可確保電源是操作在正確條件下。
 




圖八 使用DC Switch 或 轉(zhuǎn)換器附帶的Dim Off 功能
 
三) 增加輸出電流

增加電流可藉由直接增加瓦數(shù)，比如說HLG-320H-24換成HLG-480H-24，或是換成低壓(高電流)同功率產(chǎn)品，比如說 HLG-320H-24 (13.34A)換HLG-320H-12 (22A)，必須注意選用的電壓必須是在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)。

四) 詢問明緯修改可能性，增加瞬間功率輸出功能

部分產(chǎn)品可以提高瞬時輸出電流，或是放寬過電流保護范圍，在開機后，電流必須回到電源的額定值內(nèi)。搭配性問題需要依系統(tǒng)需求及狀況解決，如客戶有遇到類似問題，建議先確認LED及DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格，再向明緯服務(wù)人員咨詢合適的產(chǎn)品。