LED照明應用亮度、功率提升 驅動電路加強保護設計提升安全性

LED發光元件單顆料件的發光亮度、驅動功率大幅提升，雖然提升照明效果，但也增加驅動電源設計的複雜度。Guangmai Electronics

在全球節能減碳熱潮下，以半導體科技為基礎的LED照明應用，是在日常照明應用中最熱門的節能方案，因為LED照明具備體積小、亮度高，可隨著設置條件做出創意照明燈具造型，但隨著LED元件的發光亮度、驅動功率提升，也需加強驅動電路的保護設計…

據Forbes預測，LED照明應用市場將在未來5年持續成長，直至2020年LED市場全球佔有率將有望達到70%以上，也因為環保概念抬頭，全球各地重點城市相繼導入LED替代傳統的公眾照明應用，像是英國倫敦即宣佈，至2016年將完成街道現代燈具改善計畫，該計畫將導入35萬盞城市路燈改用LED照明燈具。

LED照明應用愈加普及  驅動電源設計安全不可省

LED照明應用越來越普及，隨著LED照明應用產品升級，LED在單位亮度、功率也就越來越高，隨之而來除了LED晶片運作時散熱需求外，驅動高亮度LED需要的高電流驅動電路設計，因為燈具產品動輒連續使用照明超過8小時，驅動電路的安全性就更加重要。

在室內用照明應用，以裝潢應用最常見的標準型LED崁燈，驅動功率從8W~15W不等，雖室內用途的燈具仍屬於小功率驅動，電源電路除常規安全設計外，因為這類裝潢用燈具多裝設於密閉的木作家俱中，除電源電路的過載、短路防護設計外，也需要針對燈具高溫狀態下的斷電保護，避免燈具出現故障、高熱時，電源電路仍源源不絕地輸送驅動電力，導致問題加劇。

COB元件封裝  改善LED照明光形、簡化驅動設計

部分較大尺寸的崁燈產品，驅動功率可以高達20W以上，一般這類高亮度的崁燈，通常是用來作為大空間的主要照明燈具，這類燈具產品的特色就是需要單一燈具有極高的亮度表現，透過一定數量的主燈搭配足夠的環境照明應用。這類功能性明確的燈具，通常不會用太複雜的設計，一般會使用COB(Chip On Board)封裝的高亮度LED元件，獲取高亮度照明、簡化線路設計、優化成本架構優勢。

但單組發光元件就要以高達20W電源進行驅動，對於小型化、成本優化為首要設計方針的LED照明並不容易，實際裝設不能用低輸出功率的驅動電源模組直接連接驅動使用，以避免驅動電路產生過載故障。另一個重點是，這類室內主要照明應用，LED電源驅動一般會要求單一燈具搭配一套電源驅動電路，採用驅動電路分散配置不僅可讓電源驅動電路更精簡，也不會因為連接過多燈具導致驅動電路過載問題。

電源安全設計可保護LED元件  避免驅動問題受損

在一般LED驅動電源設計中，常見的保護元件有保險絲、壓敏電阻、與壓敏電阻器搭配組合的防雷突波保護器與瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressors；TVS)等保護元件，而在驅動電路透過保護設計，LED發光元件畢竟是半導體材料，本身就對電壓/電流瞬態反應較敏感，供應電源若出現大幅變動，將導致發光元件被高電流打穿或燒毀，透過保護電路技術可在發生電源瞬態變動時快速斷電或是旁路，避免LED發光元件受損。

相較室內用LED照明燈具，室外用的LED照明應用相關驅動電路的設計要求就明顯高更多。因為戶外用LED照明燈具，可能是建築外牆照明、造景設計照明、或是路燈/指示燈具照明應用，常見會採用直接連接市電電網的方式進行驅動。基於戶外照明需求，因為照明燈具設置高度更高，照明區塊可能設置在廣闊的街廓或是公園，燈具的亮度要求會更高。

室外LED照明燈具要求高  環境影響更加嚴峻

室外照明燈具(隧道、公路、交通訊號燈、停車場和車庫等照明環境)不僅單位燈具的亮度超過室內應用的數倍，其驅動電源的功率也會是室內照明的好幾倍水準，對於驅動電路的安全設計要求更高，甚至是室外公眾區域照明燈具的設置條件，大多屬於室外環境，燈具與驅動電路還須受到風吹、日曬、雨淋等環境影響，長時間高溫/低溫轉換也會考驗驅動電路電子零件、硬體的耐用度，高功率與惡劣使用環境，都是室外照明使用安全設計必須克服的問題點。

除了功能性較高的戶外照明應用外，另一個戶外照明應用領域，即以LED照明進行裝飾性、情境氣氛營造的設計應用，例如針對裝飾性應用的噴泉照明燈、泳池照明燈、花園與雕塑的景觀輔助光源，這些燈具使用環境的嚴苛程度，並不亞於一般戶外照明應用LED燈具，以泳池、噴泉的造景燈具，LED燈具必須搭配防水不鏽鋼桶燈燈體，將LED發光元件、驅動電路包裹在不鏽鋼桶燈燈座之中，燈具內的散熱主要透過燈體發散，線路的安全設計除一般戶外燈具要求外，另必須針對可能的池水入侵燈具問題，強化驅動電路的短路安全設計。

LED燈具能快速普及，主要是照明用的LED元件在功能上持續不斷優化，讓照明應用功能更接近用戶需求，其中LED元件應用COB(Chip On Board)封裝技術，可以說是LED燈具應用更趨實用的重要關鍵。COB封裝為將單個、或多顆LED發光晶粒，利用封裝技術直接封裝於印刷電路板(Printed Circuit Board；PCB)上，COB封裝型式跟一般採用表面黏著(Surface Mounted Device；SMD)設計元件加工以支架打件在燈具基板上的設計大不相同，因為COB封裝可以直接將LED發光產生的熱、透過接觸引導至下方基板散出，透過基板加強散熱處理，而平面化設置、大量的LED元件也可形成類似傳統燈具的面光源照明效果。

新一代的LED照明燈具，可透過COB技術讓新時代的LED燈具達到更接近傳統白熾燈、鹵素燈或是氣體放電燈具才有的照明效果，同時，驅動LED照明燈具，只需要以更低的電力驅動，就能產生這些傳統燈具的照明效用，透過COB設計的發光元件模組，不僅散熱加強(省掉更多燈具主動散熱設計需求)，透過多元件封裝，也能簡化驅動電路的設計複雜度(因為只需要驅動單一元件)。

室外燈具應用  宜強化落雷/防突波保護設計

前面也提到，室內用途的LED照明，在使用環境相對單純與供應電壓/電流相對穩定的市電供應下，採取基本的過電壓、過載、短路與高溫斷電/斷負載設計就相當夠用，反而是設置於戶外的LED路燈、造景燈、庭園燈等，僅有上述的基本驅動電源安全防護仍顯得不足。戶外燈具最大的電源挑戰仍在於供電狀態不穩定與雨天落雷天候問題，其中供應電壓不穩定會使驅動電路易產生元件老化，這部分問題可用高環境耐受的進階元件改善驅動電源的壽命問題，而落雷問題就必須針對性改善解決。

對於容易落雷、雨天較多的區域，戶外燈具都應強化防雷突波保護(SPD)設計，所謂防雷突波保護用途在於，當落雷不幸擊中路燈或是造景燈具時(空曠地區較高的燈座通常會對落雷形成最佳引雷路徑)，透過SPD保護設計可以將瞬間高額突波導入燈殼或是打入電源線路時，產生對應保護作用，而SPD元件除可對雷擊突波現象產生保護作用外，對於靜電放電(Electrostatic Discharge；ESD)也能達到保護作用。

燈具設置成本高昂，若為了省成本少了防雷突波保護設計其實相當不智，當照明設施因落雷突波影響造成驅動電路故障，小則僅路燈無法使用，若衍生事件較大導致路燈燒毀影響周邊人車安全，造成的危害就不是設備毀損這麼單純。此外，路燈損壞率提高也會導致設置完成後的維護成本增加，為避免後期雷擊、電源電路突波等電氣危害，戶外LED照明都應以高於相關法規、安全標準的基礎下加強驅動電路安全設計。