完整電源方案 ST讓LED照明用電更有效率
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為提供各種場域所需要之節能照明，ST(意法半導體)推出一系列完整的電源設計方案與相關產品組合，從低瓦數到高瓦數產品皆一應俱全，讓電源設計工程師能夠依據產品的用電特性，來選擇適合的電源產品解決方案，以開發出物美價廉且能效超高的LED照明相關產品…
ST(意法半導體)技術行銷經理蕭復元先生，針對「意法半導體產品與解決方案：LED照明」議題做演說。他以LED照明相關產品的角度出發，來說明其電源設計的各式解決方案。
有關LED照明的拓樸，大致可以區分成四大區塊，包含：(1)室內照明&聚光照明(<15W，小於15瓦)，這類照明採用一般普通的非隔離式降壓或升壓的Flyback：PSR(返馳式：初級側調節技術) 來設計。(2)室內？戶外照明(15？100W)，這類照明可採用Passive PFC + Flyback(被動式功因校正+返馳式)、Single Stage PFC(單級返馳式功因校正)或 Active PFC + Flyback(主動式功因校正+返馳式)。(3)戶外照明？路燈(100？250W)，可採用Active PFC + Flyback、Active PFC + QR Flyback(準諧振返馳式) 或 PFC + LLC Resonant(功因校正+LLC諧振)。(4)特殊照明，如車用照明(AEC-Q100規範)。
至於一般LED照明的應用，則可區分成六大類別，包括：居家、商用、戶外、路燈、大區塊、緊急照明等。
而驅動這些LED照明應用市場的最關鍵因素，主要就是這三項：(1)效率，亦即注重PFC(功率因素校正)要高，例如能源之星就規範了5瓦以上的高功因產品，室內與商業照明的功率因素必須大於0.7和0.9。(2)信賴性，亦即MTBF(平均故障間隔時間)要低，例如採用無e-cap (電解電容)的電路設計方式，便可減少對溫度的敏感度，以增加穩定性。(3)體積小，亦即在革新照明&球泡燈替代方案，包括3？20W等的產品中，其電路必須要能塞入很小的空間，且具備Triac Dimmable(前緣式矽控調光)功能，以增加整體穩定性。
若以電源的瓦數來區分照明應用，則可分成：Retrofit(如球泡燈)、Linear(如日光燈)、Panel(如平板燈)、Street(路燈)等。瓦數依序為3？15W、15？75W、>100W等低、中、高瓦數的3種，各種瓦數的電源架構設計與需求上也有所不同。
例如：(1)低瓦數(15W)須具備高功因、電源與燈體採單一封裝、矽控調光、體積小等特性，LED電流在10mA？1A，採單串設計。(2)中瓦數(15？75W) 具備高功因、採電源板與控制板分離設計、後調控與調光、低成本等特性，LED電流在100mA？1A，採單串或多串設計。(3)高瓦數(>75W)則同樣具備高功因、採電源分離設計、創新的數位調光方法、遠端控制、寬溫設計(-40°C)、ZVS(零電壓轉換)等特性， LED電流在100mA？1A，採單或多串設計。
方案眾多、功因超優 符合各式照明需求
以一般15W以下的照明產品，其電路架構來說，5W以下一般都是搭配一組QR Flyback轉換器，而5W至15W的一般除了有高功因的QR Flyback轉換器之外，也有搭配前Triac調光的高功因Flyback轉換器設計。QR Flyback的好處是可以減少切換的能耗損失，提升能源效率大於80%，比起傳統Hard switching(硬開關)設計的75%還高，因此適合應用在LED燈的電源設計。
一般連接AC(交流電)的標準電源供應器，應用在需要直流電的LED燈時，我們可以透過更改其架構，包括將Voltage reference IC(基準電壓IC)換成CC/CV控制器。甚至將驅動IC、MOSFET(金屬氧化層場效電晶體)等元件，以整合PSR的作法，便可把光耦合器、基準電壓IC等元件省略。
因為不同瓦數的照明產品，就有不同的電源設計需求，因此ST針對不同的產品應用，推出各種相關的因應解決方案。在一般照明(<15W)的產品部分，有5W的HVLED805、7W的HVLED807PF與15W的HVLED815PF等產品。具備高整合度、低零件數、高功因與低THD(總諧波失真率)等特性。
可調光穩壓設計 高品質無可代替
而在Triac調光的方案，例如STEVAL-ILL044V1採獨立設計，採美規(90？132V)可調光設計，輸出電源為9W、175mA，具備能源效率>86%，高功因>0.98，THD值<20% 等特性。因為具備調光的產品，大多區分為美規與歐規兩種電壓的產品，ST也正著手開發歐規(高達230V)搭配Triac的方案，甚至未來可能開發Universal(全電壓，90？230V) 的產品，以滿足各種客戶的需求。
蕭復元表示，以傳統9W Triac可調光的電路設計，在一開燈的時候，其Line Voltage(線路電壓)會突然遽增然後緩降到穩定，而Line Current (線路電流)則因為Triac無法固定住電流而產生所謂的Ringing(振盪)波形，造成燈泡剛點亮時會有Flicker(閃爍)現象。而HVLED815PF這個LED控制器，其Input EMI filter(輸入濾波器)有加入Damping circuit(阻尼電路)，透過加入R-C等元件，可讓燈泡在剛通電的時候，Line Current能夠維持穩定的線形、減少Ringing，讓燈泡剛開啟時，不會出現閃爍現象。
而HVLED815PF如何達到高功因的方式，其透過Diode(二極體)來增加低電壓時的轉換效率，且在調光時透過在整流器上加入一個AC元件，透過內部IC控制器來比較其麥當勞波，讓其功率表現更好。
至於<15W的Triac調光方案，STEVAL-ILL045V1是一種非隔離設計，其拿掉clamp circuit(鉗位電路)的設計，讓次級繞組為初級繞組的一部分，在FET的汲極電壓overshoot(過衝)較少，因此可以提升其功因。
中高瓦數方案多 提升功因不用愁
在15W？75W的中瓦數解決方案部分，以單串LED設計部分，大多以一組高功因的Flyback轉換器搭配CC/CV控制器來實作。而多串LED則在上述的轉換器後面，再加入Monolithic Buck Converter(單晶片降壓轉換器)，以及多顆Inverse Buck Converter(反向降壓轉換器)，然後搭配類比方案的Analog Controller(類比控制器)或搭配數位方案的MCU(微控制器)，來達到多串LED的電源控制。
其電路圖架構部分，單串的設計中，以PFC控制器部分，採用了ST L6562A/AT、L6564(T/H)等來做順態模式的PFC控制，MOSFET部分採用ST SuperMESH 5 Power MOSFET(800V？950V)，具有獨特的靜態與動態效率。而在CC/CV控制器部分，則採用TSM101(CC/CV控制)與SEA05、SEA01(具數位調光功能)等CCC控制器。值得說明的是，數位調光透過preset(預設參數)的方式，預先將調整好的數據寫入內部的記憶體，其優勢是在量產時可以節省人力成本。
至於多串LED、類比電路的設計架構上，其經過AC-DC轉換後，接著採用兩組DC-DC Buck LED驅動IC(如ST LED5000、LED2001、LED2000元件)搭配Schottky(蕭特基)二極體，最後經過兩組DC-DC Inverse Buck LED驅動IC的作法來達成。由於Standard(標準)降壓轉換器因為是浮動的，必須具備電荷幫浦電路，而採用Inverse(反向)降壓轉換器，其功率型MOSFET的汲極是接地的，具有容易控制的特性。
再來看高瓦數應用產品。以75W搭配PLM(Power Line Module；電力線模組)來遙控的高階產品來說，其架構就是前緣採用高功因Flyback，然後連接兩組Inverse Buck(獨立串設計)，然後連接STEVAL-ILL043V1這個PLM遠短遙控模組，讓其使用電力線就能夠遙控其LED燈的開閉狀態。以建築戶外照明(>75W)的多串(類比或數位驅動)電路設計部分，搭配ST的各種產品，可以做到電源效率>93%。整體平均效率>87%。
在>75W的數位LED電源設計部分，採用其EVAL STLUX385，具有4通道LED與調光功能，並具備可透過DALI、USART等傳輸介面來遠端遙控的特色。STLUX385A照明和電源管理數位控制器已獲得CES 2014創新獎，是全球首顆以可編程晶片解決所有應用需求的數位控制器。
其規格上支援12？50V，4組獨立可組態的LED通道，每通道可支援3？10顆LED燈，且具備斷路與短路保護設計。適合應用在專業照明、路燈、燈光混色與調色等各種應用需求。
整體來說，ST提供不同瓦數、架構、調光等一般LED照明應用的整體解決方案，包括類比或數位電路等方法，並提供多樣設計工具(如評估板)、開發套件、設計工作表和應用筆記(可從ST網站下載)，能讓LED照明的電源設計更簡化、更輕鬆、更有效率。
