LED照明─節能的熱門應用
由於有許多的照明裝置都開始採用HBLED(高亮度發光二極體，high-brightness light-emitting diodes)，因而使得它們成為世界上成長最快速的發光源。這些先進的元件目前具有介於35至50lm/W範圍內的發光效能。最初開發的標準元件所具備的發光效能甚至超過100lm/W。
就趨勢的發展上來看，LED的技術正朝向能夠生產出具有比日光燈更高之發光效能的元件而持續地改進，最終的目標則是與高強度氣體放電(HID)燈泡的輸出相匹敵。HBLED已經超越了白熱燈泡以及鹵素燈泡的效能，並且具有更長的壽命、更高的可靠度、更小的尺寸、以及更優越的低溫特性。此外，LED屬於固態元件，不會包含有毒氣體，也不需要燈絲。
設計工程師正持續的將HBLED使用在建築用照明、道路照明、裝飾用照明、招牌、以及高等級電視與螢幕的背光照明上。這些應用裝置必須要從AC線路或是DC電壓供應上獲得穩定的DC電流。
International Rectifier的IRS 2540控制IC能夠對非隔離型的應用裝置提供恆定電流的來源。舉例來說，像是已經具有低電壓隔離電源供應或是以class -2固定裝置將LED置放於無法存取的位置上，好比交通號誌燈的狀況一樣。這樣的安排方式與日光燈或是HID燈泡中，一般不會具有電流隔離的電子式安定器相仿。
對於輸入電壓比輸出電壓大的應用裝置而言─像是大多數的招牌、裝飾用以及建築用照明等，降壓轉換器(Buck converter)是個相當適合採用的元件。典型的陣列會使用串聯方式連結的LED堆疊(stack)，以確保所有的元件中都有等量的電流通過。以串聯的方式加以連接可以使得在並聯連接方式中用以維持等量電流所必須的電路得以省去。但是，當大型陣列的正向電壓在通過單一串聯堆疊時，如果其會超過既有的順應電壓(compliance voltage)或是轉換器的最大運作電壓，那就得使用並聯的連接方式。
最為常見的LED失效模式就是短路。當處於串聯連結中的某一個LED失效時，其他的LED仍然可以持續正常的運作。然而在並聯連結中的某個LED失效時，就會使其餘的LED都無法繼續運作。使用於串聯式LED上的結合正向電壓會隨著溫度以及LED的顏色而改變。正向電壓在生產的時候也具有較大範圍的容錯值。
許多的應用裝置都需要有將光線變暗的功能(dimming)。將主要色彩的LED予以結合之後，可以藉由調整每個顏色的強度來創造出光譜中的任意顏色，進而使得展示用照明、招牌、以及氣氛用照明具有更多不同變化的可能性。以IRS 2540為基礎的降壓穩壓器(buck regulator)系統，可以從單一邏輯位準的脈寬調變(PWM)控制信號上執行全範圍的光線變暗功能。
低頻率PWM信號能夠找出處於爆發模式(burst mode)的轉換器，藉此切換LED的平均電流，進而改變光線的強度。不同於電流的調變，PWM在進行光線變暗時不需要改變LED的顏色。PWM的頻率已經足以避免肉眼可視的閃爍現象。
HBLED讓建築師、設計者、以及生產廠商得以創造出前所未有的照明效果，並且可以設計適用於劇院、攝影棚、夜總會、餐廳、以及其他需要高度視覺效果的場所。像是DMX 512之類的數位場景控制與協定，提供了富有戲劇性以及動態性的照明展示方法。對於那些可以跟以微控制器為基礎之光線調暗電路進行簡單連結的應用裝置而言，IRS 2540是相當適用的。
LED的照明光源也很自然的成為了風景以及戶外使用的照明，這是因為相對於白熱燈泡以及日光燈而言，LED具有較長的使用壽命以及較低的維護成本。濕氣的入侵對於LED也會具有較低的傷害性。不同於傳統的燈泡，LED不具有易碎成分，即便是很隨便的處理也不會碎裂。當使用於室內應用照明架構時，具有彈性的數位控制系統能夠產生出具有戲劇性的照明效果，而且可以在不需重新接線或是安裝新系統的狀況下進行變更。
高功率LED成新興主流
照明設計師正在逐漸的改用高功率LED，這是因為其具有壽命長、耐用度佳、彈性化、體積小、以及省電等之特性。他們目前已經開始使用數年前才剛上市的較大型LED─1、3、以及5W/package，必須要在高達1.5A的電流下運作～。IRS 2540將一組浮動的高端驅動器(high-side driver)整合於其中，因而可以使用能夠持續監測LED電流的電流感測系統(圖1)。其他的控制器則會被限制在只有當降壓轉換器開關開啟時，才能對電流進行監測。這項特點使得IRS 2540能夠實現平均電流的控制而非峰值電流的控制，同時也可以提供能夠在較大的線以及負載範圍上運作的固有穩定調節，而且在設計方面也不會有所限制。
圖1：IRS 2540對於真正的平均電流控制提供了連續時間之電流監測的轉換。
此轉換器IC能夠藉由其具有專利的時間延遲磁滯控制(hysteretic-control)方法來對電流進行精確的調節。系統總體相當簡單而且具有彈性，同時也能夠從DC匯流排或是直接從經過整流的AC線對LED供應電源。當每個LED的正向電壓具有很大的生產容錯值時，電流的精確控制就會成為一項挑戰。舉例來說，由Lumiled所生產，相當受到歡迎的Luxeon III發射體，其正向電壓VF就會依循3.70V的額定值，針對白、綠、或藍在3.03V到4.47V之間變動，依據生產廠商的數據表而定。這個稍微不對稱的容錯值可以容許元件的正向電壓在700mA的狀況下具有-18%, +20%的變動。VF也會以具有負值的-2mV / C溫度係數為準，隨著溫度改變。在100C時，這是另一個0.15V的電壓變化。典型的多重LED連結串需要有媒介來對應較高的匯流排電壓，因此會將這些變動放大。
IRS 2540可以使用簡單的設計來達成精確的電流控制，這些簡單的設計原本就具有穩定的特質，而且不需要進行複雜的電路分析。由於這個方法採用了連續電流(continuous-current)模式，因此在設計上必須要針對硬切換(hard switching)期間的壓力進行限制。該晶片只需要藉由掌控其控制電路的延遲就能夠達到這個要求。這種設計的峰值電流會遠比在峰值電流控制模式拓樸下的峰值電流小得多。如此一來，LED轉換器就可以使用較小而且較具有效率的金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)開關以及較小的電感器。
控制電路的延遲確實會在電感器中造成電流的漣波，但是與負載並聯的輸出電容器可以減少產生漣波的電流。輸出電容器也可以藉由對電流的回饋增加延遲而使頻率降低，因為減少了切換上的損耗，於是系統的效率就能夠獲得改善。在這樣的設定當中，過載以及短路的保護是原本就已經具有的特性。要做到開路負載的保護以及PWM光線調暗功能也是很容易的。
兩組不同的高電壓LED轉換器IC會分別以200V(IRS 2540)以及600V(IRS 2541)的正向電壓驅動LED的連結串。這樣的設計，在175kHz的狀況下可以將效能提升超過85％。轉換器可以在PWM工作週期達到100％的情況下運作，而且不會有穩定度的顧慮存在，而如果是在以峰值電流控制的系統中則可能會有超過50％的不穩定狀況發生。
LED應用潛力大
LCD電視、螢幕、筆記型電腦顯示器、以及不同客製尺寸面板的生產廠商，目前都已經開始將冷陰極螢光燈管(CCFL)轉換成具有多樣優點的LED背光源。以LED為基礎的背光系統能夠將可重現色調的色盤擴展達45個百分比之多。相較於最好的CCFL亮源LCD電視，以LED為基礎的系統已經可以重現NTSC色彩空間達到105％，而前者只能重現65％至75％。即便是陰極射線管(CRT)顯示器也難以在色彩的重現與亮度上和以LED為基礎的系統相匹敵。以LED為基礎的系統也具有可以動態調節的潛力，藉此能夠以更高的精確度使影像重現。
關於作者
Peter Green在位於加州El Segundo的IR公司先進照明設計中心擔任資深系統工程師。
由於有許多的照明裝置都開始採用HBLED(高亮度發光二極體，high-brightness light-emitting diodes)，因而使得它們成為世界上成長最快速的發光源。這些先進的元件目前具有介於35至50lm/W範圍內的發光效能。最初開發的標準元件所具備的發光效能甚至超過100lm/W。
就趨勢的發展上來看，LED的技術正朝向能夠生產出具有比日光燈更高之發光效能的元件而持續地改進，最終的目標則是與高強度氣體放電(HID)燈泡的輸出相匹敵。HBLED已經超越了白熱燈泡以及鹵素燈泡的效能，並且具有更長的壽命、更高的可靠度、更小的尺寸、以及更優越的低溫特性。此外，LED屬於固態元件，不會包含有毒氣體，也不需要燈絲。
設計工程師正持續的將HBLED使用在建築用照明、道路照明、裝飾用照明、招牌、以及高等級電視與螢幕的背光照明上。這些應用裝置必須要從AC線路或是DC電壓供應上獲得穩定的DC電流。
International Rectifier的IRS 2540控制IC能夠對非隔離型的應用裝置提供恆定電流的來源。舉例來說，像是已經具有低電壓隔離電源供應或是以class -2固定裝置將LED置放於無法存取的位置上，好比交通號誌燈的狀況一樣。這樣的安排方式與日光燈或是HID燈泡中，一般不會具有電流隔離的電子式安定器相仿。
對於輸入電壓比輸出電壓大的應用裝置而言─像是大多數的招牌、裝飾用以及建築用照明等，降壓轉換器(Buck converter)是個相當適合採用的元件。典型的陣列會使用串聯方式連結的LED堆疊(stack)，以確保所有的元件中都有等量的電流通過。以串聯的方式加以連接可以使得在並聯連接方式中用以維持等量電流所必須的電路得以省去。但是，當大型陣列的正向電壓在通過單一串聯堆疊時，如果其會超過既有的順應電壓(compliance voltage)或是轉換器的最大運作電壓，那就得使用並聯的連接方式。
最為常見的LED失效模式就是短路。當處於串聯連結中的某一個LED失效時，其他的LED仍然可以持續正常的運作。然而在並聯連結中的某個LED失效時，就會使其餘的LED都無法繼續運作。使用於串聯式LED上的結合正向電壓會隨著溫度以及LED的顏色而改變。正向電壓在生產的時候也具有較大範圍的容錯值。
許多的應用裝置都需要有將光線變暗的功能(dimming)。將主要色彩的LED予以結合之後，可以藉由調整每個顏色的強度來創造出光譜中的任意顏色，進而使得展示用照明、招牌、以及氣氛用照明具有更多不同變化的可能性。以IRS 2540為基礎的降壓穩壓器(buck regulator)系統，可以從單一邏輯位準的脈寬調變(PWM)控制信號上執行全範圍的光線變暗功能。
低頻率PWM信號能夠找出處於爆發模式(burst mode)的轉換器，藉此切換LED的平均電流，進而改變光線的強度。不同於電流的調變，PWM在進行光線變暗時不需要改變LED的顏色。PWM的頻率已經足以避免肉眼可視的閃爍現象。
HBLED讓建築師、設計者、以及生產廠商得以創造出前所未有的照明效果，並且可以設計適用於劇院、攝影棚、夜總會、餐廳、以及其他需要高度視覺效果的場所。像是DMX 512之類的數位場景控制與協定，提供了富有戲劇性以及動態性的照明展示方法。對於那些可以跟以微控制器為基礎之光線調暗電路進行簡單連結的應用裝置而言，IRS 2540是相當適用的。
LED的照明光源也很自然的成為了風景以及戶外使用的照明，這是因為相對於白熱燈泡以及日光燈而言，LED具有較長的使用壽命以及較低的維護成本。濕氣的入侵對於LED也會具有較低的傷害性。不同於傳統的燈泡，LED不具有易碎成分，即便是很隨便的處理也不會碎裂。當使用於室內應用照明架構時，具有彈性的數位控制系統能夠產生出具有戲劇性的照明效果，而且可以在不需重新接線或是安裝新系統的狀況下進行變更。
高功率LED成新興主流
照明設計師正在逐漸的改用高功率LED，這是因為其具有壽命長、耐用度佳、彈性化、體積小、以及省電等之特性。他們目前已經開始使用數年前才剛上市的較大型LED─1、3、以及5W/package，必須要在高達1.5A的電流下運作～。IRS 2540將一組浮動的高端驅動器(high-side driver)整合於其中，因而可以使用能夠持續監測LED電流的電流感測系統(圖1)。其他的控制器則會被限制在只有當降壓轉換器開關開啟時，才能對電流進行監測。這項特點使得IRS 2540能夠實現平均電流的控制而非峰值電流的控制，同時也可以提供能夠在較大的線以及負載範圍上運作的固有穩定調節，而且在設計方面也不會有所限制。
圖1：IRS 2540對於真正的平均電流控制提供了連續時間之電流監測的轉換。
此轉換器IC能夠藉由其具有專利的時間延遲磁滯控制(hysteretic-control)方法來對電流進行精確的調節。系統總體相當簡單而且具有彈性，同時也能夠從DC匯流排或是直接從經過整流的AC線對LED供應電源。當每個LED的正向電壓具有很大的生產容錯值時，電流的精確控制就會成為一項挑戰。舉例來說，由Lumiled所生產，相當受到歡迎的Luxeon III發射體，其正向電壓VF就會依循3.70V的額定值，針對白、綠、或藍在3.03V到4.47V之間變動，依據生產廠商的數據表而定。這個稍微不對稱的容錯值可以容許元件的正向電壓在700mA的狀況下具有-18%, +20%的變動。VF也會以具有負值的-2mV / C溫度係數為準，隨著溫度改變。在100C時，這是另一個0.15V的電壓變化。典型的多重LED連結串需要有媒介來對應較高的匯流排電壓，因此會將這些變動放大。
IRS 2540可以使用簡單的設計來達成精確的電流控制，這些簡單的設計原本就具有穩定的特質，而且不需要進行複雜的電路分析。由於這個方法採用了連續電流(continuous-current)模式，因此在設計上必須要針對硬切換(hard switching)期間的壓力進行限制。該晶片只需要藉由掌控其控制電路的延遲就能夠達到這個要求。這種設計的峰值電流會遠比在峰值電流控制模式拓樸下的峰值電流小得多。如此一來，LED轉換器就可以使用較小而且較具有效率的金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)開關以及較小的電感器。
控制電路的延遲確實會在電感器中造成電流的漣波，但是與負載並聯的輸出電容器可以減少產生漣波的電流。輸出電容器也可以藉由對電流的回饋增加延遲而使頻率降低，因為減少了切換上的損耗，於是系統的效率就能夠獲得改善。在這樣的設定當中，過載以及短路的保護是原本就已經具有的特性。要做到開路負載的保護以及PWM光線調暗功能也是很容易的。
兩組不同的高電壓LED轉換器IC會分別以200V(IRS 2540)以及600V(IRS 2541)的正向電壓驅動LED的連結串。這樣的設計，在175kHz的狀況下可以將效能提升超過85％。轉換器可以在PWM工作週期達到100％的情況下運作，而且不會有穩定度的顧慮存在，而如果是在以峰值電流控制的系統中則可能會有超過50％的不穩定狀況發生。
LED應用潛力大
LCD電視、螢幕、筆記型電腦顯示器、以及不同客製尺寸面板的生產廠商，目前都已經開始將冷陰極螢光燈管(CCFL)轉換成具有多樣優點的LED背光源。以LED為基礎的背光系統能夠將可重現色調的色盤擴展達45個百分比之多。相較於最好的CCFL亮源LCD電視，以LED為基礎的系統已經可以重現NTSC色彩空間達到105％，而前者只能重現65％至75％。即便是陰極射線管(CRT)顯示器也難以在色彩的重現與亮度上和以LED為基礎的系統相匹敵。以LED為基礎的系統也具有可以動態調節的潛力，藉此能夠以更高的精確度使影像重現。
關於作者
Peter Green在位於加州El Segundo的IR公司先進照明設計中心擔任資深系統工程師。
