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室内外用LED照明灯具 驱动电源安全设计重要性凸

2019-05-08

   在全球节能减碳热潮下,以半导体科技为基础的LED照明应用,是在日常照明应用中最热门的节能方案,因为LED照明具备体积小、亮度高,可随著设置条件做出创意照明灯具造型,但随着LED元件的发光亮度、驱动功率提升,也需加强驱动电路的保护设计。

    LED照明应用市场将在未来5年持续成长,直至2020年LED市场全球占有率将有望达到70%以上,也因为环保概念抬头,全球各地重点城市相继导入LED替代传统的公众照明应用,比如英国伦敦即宣布,至2016年将完成街道现代灯具改善计划,该计划将导入35万盏城市路灯改用LED照明灯具。

LED照明应用愈加普及驱动电源设计安全不可省


 

    LED照明应用越来越普及,随着LED照明应用产品升级,LED在单位亮度、功率也就越来越高,随之而来除了LED芯片运行时散热需求外,驱动高亮度LED需要的高电流驱动电路设计,因为灯具产品动辄连续使用照明超过8小时,驱动电路的安全性就更加重要。

    在室内照明应用,以最常见的标准型LED筒灯,驱动功率从8W~15W不等,虽室内用途的灯具仍属于小功率驱动,电源电路除常规安全设计外,因为这类装潢用灯具多装设于密闭的木作家具中,除电源电路的过载、短路防护设计外,也需要针对灯具高温状态下的断电保护,避免灯具出现故障、高热时,电源电路仍源源不绝地输送驱动电力,导致问题加剧。

    LED发光元件单颗料件的发光亮度、驱动功率大幅提升,虽然提升照明效果,但也增加驱动电源设计的复杂度。

COB元件封装改善LED照明光形、简化驱动设计



 

    部分较大尺寸的筒灯产品,驱动功率可以高达20W以上,一般这类高亮度的崁灯,通常是用来作为大空间的主要照明灯具,这类灯具产品的特色就是需要单一灯具有极高的亮度表现,透过一定数量的主灯搭配足够的环境照明应用。这类功能性明确的灯具,通常不会用太复杂的设计,一般会使用COB(ChipOnBoard)封装的高亮度LED元件,获取高亮度照明、简化线路设计、优化成本架构优势。

    但单组发光元件就要以高达20W电源进行驱动,对于小型化、成本优化为首要设计方针的LED照明并不容易,实际装设不能用低输出功率的驱动电源模块直接连接驱动使用,以避免驱动电路产生过载故障。另一个重点是,这类室内主要照明应用,LED电源驱动一般会要求单一灯具搭配一套电源驱动电路,采用驱动电路分散配置不仅可让电源驱动电路更精简,也不会因为连接过多灯具导致驱动电路过载问题。

    电源安全设计可保护LED元件避免驱动问题受损

    在一般LED驱动电源设计中,常见的保护元件有保险丝、压敏电阻、与压敏电阻器搭配组合的防雷突波保护器与瞬态电压抑制器(TransientVoltageSuppressors;TVS)等保护元件,而在驱动电路透过保护设计,LED发光元件毕竟是半导体材料,本身就对电压/电流瞬态反应较敏感,供应电源若出现大幅变动,将导致发光元件被高电流打穿或烧毁,透过保护电路技术可在发生电源瞬态变动时快速断电或是旁路,避免LED发光元件受损。

    相较室内LED照明灯具,室外LED照明应用相关驱动电路的设计要求就明显高更多。因为户LED照明灯具,可能是建筑外墙照明、造景设计照明、或是路灯/指示灯具照明应用,常见会采用直接连接市电电网的方式进行驱动。基于户外照明需求,因为照明灯具设置高度更高,照明区块可能设置在广阔的街廓或是公园,灯具的亮度要求会更高。

    一般室内用的LED驱动电源模块,已有内建基本电源防护设计,可提升照明应用使用安全性。

室外LED照明灯具要求高环境影响更加严峻


 

    室外照明灯具(隧道、公路、交通讯号灯、停车场和车库等照明环境)不仅单位灯具的亮度超过室内应用的数倍,其驱动电源的功率也会是室内照明的好几倍水平,对于驱动电路的安全设计要求更高,甚至是室外公众区域照明灯具的设置条件,大多属于室外环境,灯具与驱动电路还须受到风吹、日晒、雨淋等环境影响,长时间高温/低温转换也会考验驱动电路电子零件、硬件的耐用度,高功率与恶劣使用环境,都是室外照明使用安全设计必须克服的问题点。

    除了功能性较高的户外照明应用外,另一个户外照明应用领域,即以LED照明进行装饰性、情境气氛营造的设计应用,例如针对装饰性应用的喷泉照明灯、泳池照明灯、花园与雕塑的景观辅助光源,这些灯具使用环境的严苛程度,并不亚于一般户外照明应用LED灯具,以泳池、喷泉的造景灯具,LED灯具必须搭配防水不锈钢桶灯灯体,将LED发光元件、驱动电路包裹在不锈钢桶灯灯座之中,灯具内的散热主要透过灯体发散,线路的安全设计除一般户外灯具要求外,另必须针对可能的池水入侵灯具问题,强化驱动电路的短路安全设计。

    LED灯具能快速普及,主要是照明用的LED元件在功能上持续不断优化,让照明应用功能更接近用户需求,其中LED元件应用COB(ChipOnBoard)封装技术,可以说是LED灯具应用更趋实用的重要关键。COB封装为将单个、或多颗LED发光晶粒,利用封装技术直接封装于印刷电路板(PrintedCircuitBoard;PCB)上,COB封装型式跟一般采用表面黏著(SurfaceMountedDevice;SMD)设计元件加工以支架打件在灯具基板上的设计大不相同,因为COB封装可以直接将LED发光产生的热、透过接触引导至下方基板散出,透过基板加强散热处理,而平面化设置、大量的LED元件也可形成类似传统灯具的面光源照明效果。

    新一代的LED照明灯具,可透过COB技术让新时代的LED灯具达到更接近传统白炽灯、卤素灯或是气体放电灯具才有的照明效果,同时,驱动LED照明灯具,只需要以更低的电力驱动,就能产生这些传统灯具的照明效用,透过COB设计的发光元件模块,不仅散热加强(省掉更多灯具主动散热设计需求),透过多元件封装,也能简化驱动电路的设计复杂度(因为只需要驱动单一元件)。

    室外灯具应用宜强化落雷/防突波保护设计

    前面也提到,室内用途的LED照明,在使用环境相对单纯与供应电压/电流相对稳定的市电供应下,采取基本的过电压、过载、短路与高温断电/断负载设计就相当够用,反而是设置于户外的LED路灯、造景灯、庭园灯等,仅有上述的基本驱动电源安全防护仍显得不足。户外灯具最大的电源挑战仍在于供电状态不稳定与雨天落雷天候问题,其中供应电压不稳定会使驱动电路易产生元件老化,这部分问题可用高环境耐受的进阶元件改善驱动电源的寿命问题,而落雷问题就必须针对性改善解决。

     对于容易落雷、雨天较多的区域,户外灯具都应强化防雷突波保护(SPD)设计,所谓防雷突波保护用途在于,当落雷不幸击中路灯或是造景灯具时(空旷地区较高的灯座通常会对落雷形成最佳引雷路径),透过SPD保护设计可以将瞬间高额突波导入灯壳或是打入电源线路时,产生对应保护作用,而SPD元件除可对雷击突波现象产生保护作用外,对于静电放电(ElectrostaticDischarge;ESD)也能达到保护作用。

    灯具设置成本高昂,若为了省成本少了防雷突波保护设计其实相当不智,当照明设施因落雷突波影响造成驱动电路故障,小则仅路灯无法使用,若衍生事件较大导致路灯烧毁影响周边人车安全,造成的危害就不是设备毁损这么单纯。此外,路灯损坏率提高也会导致设置完成后的维护成本增加,为避免后期雷击、电源电路突波等电气危害,户外LED照明都应以高于相关法规、安全标准的基础下加强驱动电路安全设计。

 

 

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