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

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文:藍(lán)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(jì)者對(duì)于如何挑選合適的LED驅(qū)動(dòng)器仍然是一知半解；希望藉由本文讓設(shè)計(jì)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(dòng)LED要注意的事項(xiàng)。

在進(jìn)入主題之前，先介紹一下目前常見的LED燈具電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有以下三種搭配模式：
1) 直接驅(qū)動(dòng) : COB LED模塊接定電流LED驅(qū)動(dòng)器，燈具的亮度及電流由LED驅(qū)動(dòng)器控制。為目前市場(chǎng)主力，大多是高效能高功率燈具應(yīng)用
2) 燈條內(nèi)建簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)較大功率的驅(qū)動(dòng)器提供能量，后級(jí)電壓- 電流轉(zhuǎn)換器限制LED電流。
第三種方式- LED驅(qū)動(dòng)器搭配主動(dòng)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(dòng)LED模塊時(shí)需要注意的事項(xiàng)。


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(huì)將輸入功率轉(zhuǎn)換成特定的輸出值。當(dāng)輸出負(fù)載為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出入的功率都會(huì)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(zhǎng)條形燈管或小型聚光燈成品，通常內(nèi)部會(huì)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(huì)標(biāo)示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓(例如輸入:24VDC)，但實(shí)際工作的電壓范圍遠(yuǎn)比規(guī)格標(biāo)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(shí)際輸出電壓由LED負(fù)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(huì)正常工作。


圖二 LDD-H規(guī)格



由于實(shí)務(wù)上因?yàn)?4V電壓電源較為普遍，很可能在該燈具目錄上會(huì)建議搭配24V電源來使用，在信息不完整情況下，有可能會(huì)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(jī)時(shí)的瞬時(shí)有關(guān)，可能的現(xiàn)象是開機(jī)失敗或開機(jī)時(shí)燈具閃爍，以下針對(duì)問題做更詳細(xì)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?yàn)殡娏鬓D(zhuǎn)換器啟動(dòng)電壓低于前端電源供應(yīng)器的額定電壓，當(dāng)在低壓?jiǎn)?dòng)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(shí)總輸出就是270W。如果燈具或轉(zhuǎn)換器輸入電壓標(biāo)示為 24V 輸入，一般人可能會(huì)選 24V、大于300W的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)此燈具似乎沒有太大問題，但實(shí)際狀況是當(dāng)電流轉(zhuǎn)換器后端接的是9V的LED時(shí)，降壓式轉(zhuǎn)換器會(huì)在12V輸入時(shí)就會(huì)啟動(dòng)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器從開機(jī)到輸出升到正常電壓需要一定時(shí)間，若轉(zhuǎn)換器的輸入點(diǎn)低又無軟啟動(dòng)機(jī)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(shí)因需求電流高于HLG-320H-24所能供給，因此PSU輸出會(huì)被拉低并中斷，燈具則可能閃爍、亮度偏低或完全無法開機(jī)。
電流轉(zhuǎn)換器在24V與12V時(shí)的輸入電流如下時(shí)，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(shí) 電流轉(zhuǎn)換器輸入電流
         270W=24V ×11.25A
  • 工作電壓12V時(shí) 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(shí)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(shí)，降壓式轉(zhuǎn)換器可能在9V以下就開始工作。如電源AC開機(jī)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(huì)進(jìn)入打嗝模式重新啟動(dòng)。此時(shí)，燈具雖短暫點(diǎn)亮，但因電源無法穩(wěn)定工作會(huì)進(jìn)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(dòng)，HLG-320H來不及升到正常電壓，會(huì)進(jìn)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(shí)際啟動(dòng)電壓低于燈具外部標(biāo)示，當(dāng)進(jìn)入低壓?jiǎn)?dòng)，電源可能無法在正常工作的條件下運(yùn)作而產(chǎn)生問題。
解決方案：

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

使用具軟啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換器，在啟動(dòng)初始時(shí)，DC/DC會(huì)漸進(jìn)式的提升輸出入功率，此機(jī)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(shí)輸出電流，或是放寬過電流保護(hù)范圍，在開機(jī)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(rèn)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。