UPS/SPS專輯UPSLED照明技術

LED驅動IC-節能與智慧照明的關鍵

電子月刊,175期,20102

主編:鄒應嶼

 

主編簡介:

鄒應嶼先生,交通大學電子研究所博士。

現任交通大學電機與控制工程系教授、前瞻電力電子中心主任。

曾任職於工研院電子研究所、美國維琴尼亞理工學院電力電子中心訪問學者、交通大學電機與控制工程研究所所長、工研院、中科院、同步輻射中心顧問、國科會、經濟部、與專利局計畫審查委員、IEEE論文審查委員、並歷經國內多家科技公司之技術諮詢顧問。

 


專輯前言

   

  由於電腦技術與網路通訊技術的日益成熟,藉由網路進行各種型式與應用的資訊處理已成為人們生活中不可缺少的一部份。由於人類生活上具有先天上的移動特性,行動通訊成為必要的需求。雲端運算近年來受到廣泛的注意,藉由大型資料中心與網路服務改變資訊儲存與處理的方式。大型資料中心供電系統的電源品質與效率,不僅將成為電源技術發展的關鍵技術,也是巨大商業機會的所在。一個大型資料中心的用電可能高達數十百萬瓦,如何降低其用電並形成一個電力自我供應的獨立系統,將是必須綜合資訊科技、電力電子、能源科技等諸多相關技術的綜效成果。雲端運算的發展,將促成各種大小規模等級資料中心的迅速發展,最先端的發電與節能技術,都將率先應用於大型資料中心的。為了降低企業資料中心的耗電量與冷卻成本,包括超微(AMD)、惠普(HP)、昇陽(SUN)與IBM在內的IT業界大廠,共同組成『綠格聯盟』(The Green Grid),綠格聯盟已獲得美國環境保護局(EPA)與能源節約聯盟(ASE)等組織的支持。綠格聯盟,將推動以大型資料中心的應用對象的節能法規,這些產品規範的推動,將有助於整合各種技術達到提升大型資料中心的用電效率。

  不斷電系統(UPS)的主要功能在於提供一個可靠與高品質的電源,對於重要的通訊、醫療、資訊、製造系統,都是不可或缺的電源設備。UPS在資料中心不僅肩負著不可不斷電的保障,也必須提供高品質的電源。由於節能標準的不斷提高,UPS的效率改善也成為技術發展的重點。本專輯在UPS主題,由詹仁琪、黃永政、周宏亮、吳晉昌、吳坤德等先生發表了『新型在線互動式不斷電系統』的設計,此新型在線互動式不斷電系統由一電池組、一雙向直流/直流電力轉換器、一雙向直流/交流變流器與一小容量濾波電容器所組成。此兩級電能轉換架構不須使用作為濾波穩壓用之大容量電容器,具有縮小體積、降低成本與延長系統壽命等優點。

   照明系統必須具備低單價、高可靠性、易於應用與整合等特性,同時亦必須符合安全法規、電磁干擾認證、電源品質、綠色能源標章等認證,可以說是一個兼具技術挑戰與產業整合的領域。近年來LED照明技術日益進展,雖然在一般照明上仍有價格過高、散熱問題、照度有待提升等問題有待進一步的改善,但一方面這些技術在實驗室已有進一步的改善,另一方面LED照明在某些特定用途也已達實用階段,例如車頭燈、警示燈、交通號誌、路燈等等。LED照明是一項跨領域的整合科技,它綜合了多項從元件到系統的技術整合,例如LED光源(半導體光電、一次光學設計)、燈泡(內部熱傳、二次光學)、驅動電路(LED驅動IC、功率晶體、磁性元件、高壓半導體製程)、燈具設計(散熱、造型、耐候性、燈具光學)、系統應用(電力線通訊、調光控制、照明管理)等等。針對不同的應用需求,就需要不同的技術層次的相關整合。從上述說明可以瞭解,照明雖然在應用端具有具有強烈的需求,但由於橫跨多項技術領域的本質,個單項技術也仍處於改善演進的階段,使其在短時間內不僅難以達到商品設計的最佳化,在價格上也因為未達量產規模而難以達到降價推廣的效果。

  目前照明用電約佔所有用電量的21%,照明效率的提升,其效果遠超過資訊設備效率提升所能達到節能省碳的成效。因此可以說節能照明就是啟動綠色節能的關鍵。雖然LED照明技術仍有許多困難有待克服,但已走在成功的道路上。台灣在LED照明領域,具有垂直設計與製造整合的相關產業,若能加強系統化的設計能力,建立跨領域的照明聯盟,製定可應用於大中華區域的LED照明標準與規範,將可創造另一個兆元產業。照明系統中的照明驅動控制IC是提升照明效率與品質、系統整合、照明管理的核心,以照明應用為導向的照明電源管理IC是未來電源IC成長的核心。

    LED的本質是一顆發光二極體,其發光效能主要決定於特性曲線、工作點、與發光效率。不論是DC LED或是AC LED本質上都是直流正向偏壓驅動,不同的是其元件組合方式與驅動電路的架構。在一般應用由於可能需要由數十甚至數百顆LED組成所需要的光源,因此其驅動電路也就需要供給適當的電壓與電流達到最佳效率的供電方式。由於這些應用產生的區別,因而需要各種不同的電路架構與控制IC達到所需要的照明效果。LED照明的驅動電路從其應用端可分為DC供電與AC供電兩種方式。公共空間與家用LED照明由於其供電電源是100~220V的交流電,因此其驅動電路必須將交流電轉換為直流電,其電路架構又可分為單級式與雙級式,高於25瓦的照明系統也必須符合電流諧波規範,因此必須包括功率因數校正電路,凡此種種,均須針對特定的應用發展出其最佳解決方案,這也是LED照明系統設計最引人入勝之處。

    電力線通訊(Power Line Communication, PLC)技術可藉由現有的電力網路以高速傳輸數位資訊,在實現未來智慧家庭生活環境上,照明與白色家電的網路整合控制是一個重要的關鍵。LED照明的一個主要的特色就是可以實現調光與調色,藉由家庭電力線網路通訊介面,LED可以實現節能照明、情境照明、照明管理等智慧照明的特色。

    在LED照明系統中,有一個具具有高度技術與知識整合的元件,那就是LED控制驅動IC,它整合了控制與驅動電路,未來將更進一步的結合通訊介面,確實達到智慧節能照明的境界。LED驅動IC雖然是一顆微小的晶片,但它負責調控流經LED的電流,在功能上必須整合供電、控制、與介面等功能,在電路上必須實現耐高壓(>500V)的功率半導體製程,也同時必須實現低壓CMOS的類比電路製程,其中也必須克服操作保護、雜訊干擾、穩壓調節、回授補償等等問題,雖是元件,但實是系統。國內雖已有許多類比IC設計公司從事LED驅動IC的產品開發,但絕大多數將其視為電路實現問題,因此往往在產品認證階段面臨難以解決的技術瓶頸。LED驅動IC在歷經激烈的產品競爭壓力下,未來IC設計將朝向以BCD製程為導向的方向發展,在功率元件方面,將逐漸提高其耐壓(由500V發展到750的耐壓),在結構方面將朝向平面式高壓低流的方向發展,電路設計將朝向整合功率元件、類比電路、與數位電路的方向發展,同時數位電路的比重將日漸增加,更精緻的控制功能,更完善的保護機能將得以實現。 

    LED驅動IC是節能與智慧照明的關鍵,本專輯針對此一主題,邀請國內相關研究學者專家,發表他們的研究成果。郭清泉先生針對『一般照明用LED控制器』說明其應用需求與解決方案。戴良彬先生的『漫淡幾種LED路燈的電源設計方案』,針對LED路燈照明應用提出了幾種驅動IC的解決方案。邱煌仁、鄭世仁、羅有綱等先生,以『使用在於低功率照明系統的可調光LED驅動器』說明明LED調光驅動器的設計,本文提出一種低功率照明應用之具適應性回授控制可調光LED驅動器,此改良式PWM調光技術在寬廣範圍輸入電壓操作條件下,使用耦合電感SEPIC PFC轉換器搭配簡單商用TM PFC控制器即可實現高效率與高功因特性。。邱佳麟、李昱輝、吳緯權、陳科宏等先生的『運用於面版顯示之LED驅動控制電路設計』,特別針對面板顯示器背光源之LED驅動控制電路設計,做了系統化設計的簡介。

 

本期特論包含下列主題:

 


台灣新竹交通大學電力電子系統與晶片實驗室