淺談如何通過整合光源與驅(qū)動電路實現(xiàn)LED模組光電一體化

　　發(fā)光二極管（LED）具有輕薄短小、省電、色彩飽和度佳、使用壽命長與環(huán)保等優(yōu)點。近來隨著高亮度LED相關(guān)技術(shù)蓬勃發(fā)展，以及LED總體生產(chǎn)成本逐漸下降，LED照明已能廣泛運用于各式各樣領(lǐng)域，包括室內(nèi)外照明、建筑照明、汽車照明、路燈和可攜式照明等，且有愈來愈多的廠商競相加入LED照明模組的設(shè)計與開發(fā)行列。

　　目前市面上大多數(shù)LED照明模組，其驅(qū)動電路與光源大都為個別獨立模組。其中，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電路皆由大量的離散元件組成，雖然近年在LED照明市場蓬勃發(fā)展的帶動下，全球各大IC設(shè)計商皆紛紛發(fā)表高整合LED驅(qū)動控制IC，期減少驅(qū)動電路中的離散元件數(shù)量，并降低成本與組裝復雜度；但是，由個別驅(qū)動電路與LED光源整合在一起的LED照明模組，卻依舊需要較多零件及較高組裝費用。

　　為進一步改善LED照明產(chǎn)品的成本結(jié)構(gòu)，加速應用普及，相關(guān)業(yè)者遂積極發(fā)展光電一體化的LED照明模組（圖1）。所謂的光電一體化LED照明模組係使用板上系統(tǒng)（System on Board， SoB）技術(shù)，將LED光源與LED驅(qū)動電路置放于同一片基板上，從而減少組裝零件及組裝費用，并降低模組組裝成本。

　　圖1 光電一體化LED照明模組基本架構(gòu)圖

　　克服光電一體散熱/尺寸問題　LED模組選用中低功率光源

　　由于LED光源與LED的驅(qū)動電路是整合在同一片基板上，因此在整個光電一體化LED照明模組的開發(fā)過程中，應該選用何種類型的LED光源，以及須搭配何種驅(qū)動電路架構(gòu)做整合，將會是整個LED照明模組的設(shè)計關(guān)鍵。

　　目前在LED照明應用中，常用的LED光源大致上可分成兩種，第一種為使用低順向電壓高順向電流的低壓高功率LED，如每個順向電流為350、700或高達1，000毫安培（mA）的方案；第二種則為串聯(lián)數(shù)個甚至數(shù)十個低功率LED而成的高順向電壓、低順向電流高壓中低功率LED。

　　由于光電一體化LED照明模組中，F(xiàn)R4印刷電路板（PCB）與鋁基板都可能被當作基板，因此若以低順向電壓、高順向電流的低壓高功率LED為光源，散熱問題將是一個相當棘手的瓶頸；相較之下，使用高順向電壓低順向電流的高壓中低功率LED為光源，讓LED熱能均勻分布，將可大幅降低處理散熱問題的困難度。此外，在相同輸出功率的情況下，使用高順向電壓低順向電流的中低功率LED光源，亦可讓整個LED照明模組的光源分布較平均，故大多業(yè)者在開發(fā)光電一體化LED照明模組時，較偏好選用高順向電壓、低順向電流的中低功率LED光源。

　　除選用適當?shù)腖ED光源之外，光電一體化LED照明模組該整合何種LED驅(qū)動電路架構(gòu)，亦是設(shè)計關(guān)鍵。由于驅(qū)動電路須與LED光源整合在同一片印刷電路板上，此時若驅(qū)動電路的體積過大，將造成驅(qū)動電路遮擋到或吸收掉LED光，使照明模組的光型受影響且降低光輸出，因此驅(qū)動電路所使用的離散元件數(shù)量要盡可能減少，且避免使用體積龐大的被動元件，才能讓驅(qū)動電路與LED光源達成高度整合，減少驅(qū)動電路對LED照明模組光型與光輸出的影響。

　　線性定電流方案簡化LED電路

　　由于光電一體化LED照明模組中的驅(qū)動電路與LED光源相互結(jié)合，故此兩模組的壽命將影響整個照明模組的使用年限。設(shè)計人員要延長整個LED照明模組的有效使用時間，除須選用具長效壽命的LED光源外，還要設(shè)法延長驅(qū)動電路的壽命。

　　市面上常見的高壓LED驅(qū)動電路架構(gòu)大致上可分成叁類，第一種是使用限流電阻的電路架構(gòu)，第二種為使用交換式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)，第叁種則是使用線性定電流的LED驅(qū)動電路架構(gòu)。其中，限流電阻的電路架構(gòu)主要透過串聯(lián)電阻調(diào)節(jié)LED順向電流，因此，LED電流將隨輸入電壓變動而變動，產(chǎn)生無法維持在固定值的缺點，目前該方案已逐漸被線性定電流的LED驅(qū)動電路所取代。

　　至于採用交換式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)與其他兩種比較之后，可發(fā)現(xiàn)其具有電路轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，且能依據(jù)不同電路類型，滿足輸入電壓是大于、小于或等于輸出電壓的任何情況。但是，交換式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)須使用磁性元件達成能量傳遞，因此電路體積較龐大且復雜，同時還要導入到較多的外部離散元件，所以并不太適合做為光電一體化LED照明模組中的驅(qū)動電路。

　　最后一種線性定電流的LED驅(qū)動電路架構(gòu)，由于不需額外儲能元件，可簡化電路設(shè)計，因而集體積小、成本低廉和外部離散元件少等優(yōu)勢于一身，成為設(shè)計人員開發(fā)光電一體化LED照明模組的理想選擇。

　　去除電解電容/磁性元件　LED驅(qū)動電路更長壽

　　線性定電流LED驅(qū)動電路係使用定電流二極管（CRD）的電路架構(gòu)，架構(gòu)最簡單，但經(jīng)常在輸入電壓大于LED順向電壓的情況下，才能夠順利驅(qū)動LED，因此當輸入交流電（AC），且串聯(lián)的LED顆數(shù)較多時，LED輸入電壓必須接近峰值才會被驅(qū)動，此將縮短LED燈有效點亮時間及總輸出流明。

　　為改善此一問題，可採用圖2所示的離線式高壓線性定電流LED驅(qū)動電路，其由橋式整流器、高壓線性定電流LED驅(qū)動器及LED燈所組成，由于只須使用幾個SMD電阻與陶瓷電容（MLCC），并未導入電解電容與磁性元件，因此不會受限于電解電容的使用壽命，而導致驅(qū)動電路使用時間縮短，且可大幅減少驅(qū)動電路的體積與降低驅(qū)動電路的成本。此外，將此一驅(qū)動電路與LED光源整合在同一片基板上，形成光電一體設(shè)計，對LED照明模組的光型與光輸出影響甚小。

　　圖2 離線式高壓線性定電流LED驅(qū)動電路架構(gòu)圖

　　新一代LED驅(qū)動器還可依據(jù)不同的輸入電壓大小，自動控制LED燈串被點亮的數(shù)目，當輸入電壓較低時，只有某些LED燈串被點亮，其余燈串則關(guān)閉；相反的，當輸入電壓夠高時，全部LED燈串都能點亮。如此一來，在由多個燈串組成的LED燈中，燈串被點亮的數(shù)目將依照輸入電源的電壓大小而變動，如圖3為整個交流輸入電源的半個週期間，各段LED燈串的電流變動情況。

　　圖3 LED燈的電流波形圖

　　綜上所述，LED驅(qū)動電路藉由將串接在一起的LED燈採分段方式驅(qū)動，可讓驅(qū)動電路在輸入電壓較低時就開始驅(qū)動部分燈串，從而增加LED燈在整個交流電源週期內(nèi)被點亮的時間；如此可在不提升電流的情況下，提高LED燈總輸出流明，如圖4為LED球泡燈的光電一體化LED照明模組實例。

　　圖4 LED球泡燈的光電一體化LED照明模組

　　導入光電一體設(shè)計　LED照明模組成本驟降

　　光電一體化的LED照明模組，藉由使用SoB技術(shù)將LED光源與LED驅(qū)動電路置放于同一片基板將可降低LED照明模組的生產(chǎn)成本。此外，不含磁性元件與電解電容的高壓線性定電流LED驅(qū)動電路設(shè)計也相當重要，由于此電路只使用到幾個SMD電阻與陶瓷電容，故本身具有體積小、成本低廉與外部離散元件少的優(yōu)勢，非常適合用于光電一體化的LED照明模組中。藉由結(jié)合此高壓線性定電流LED驅(qū)動電路于光電一體化LED照明模組中，相信將可讓室內(nèi)照明燈具的價格能夠更符合一般大眾期望。