浅谈如何通过整合光源与驱动电路实现LED模组光电一体化

　　发光二极管（LED）具有轻薄短小、省电、色彩饱和度佳、使用寿命长与环保等优点。近来随着高亮度LED相关技术蓬勃发展，以及LED总体生产成本逐渐下降，LED照明已能广泛运用于各式各样领域，包括室内外照明、建筑照明、汽车照明、路灯和可携式照明等，且有愈来愈多的厂商竞相加入LED照明模组的设计与开发行列。

　　目前市面上大多数LED照明模组，其驱动电路与光源大都为个别独立模组。其中，传统的LED驱动电路皆由大量的离散元件组成，虽然近年在LED照明市场蓬勃发展的带动下，全球各大IC设计商皆纷纷发表高整合LED驱动控制IC，期减少驱动电路中的离散元件数量，并降低成本与组装复杂度；但是，由个别驱动电路与LED光源整合在一起的LED照明模组，却依旧需要较多零件及较高组装费用。

　　为进一步改善LED照明产品的成本结构，加速应用普及，相关业者遂积极发展光电一体化的LED照明模组（图1）。所谓的光电一体化LED照明模组係使用板上系统（System on Board， SoB）技术，将LED光源与LED驱动电路置放于同一片基板上，从而减少组装零件及组装费用，并降低模组组装成本。

　　

　　图1 光电一体化LED照明模组基本架构图

　　克服光电一体散热/尺寸问题　LED模组选用中低功率光源

　　由于LED光源与LED的驱动电路是整合在同一片基板上，因此在整个光电一体化LED照明模组的开发过程中，应该选用何种类型的LED光源，以及须搭配何种驱动电路架构做整合，将会是整个LED照明模组的设计关键。

　　目前在LED照明应用中，常用的LED光源大致上可分成两种，第一种为使用低顺向电压高顺向电流的低压高功率LED，如每个顺向电流为350、700或高达1，000毫安培（mA）的方案；第二种则为串联数个甚至数十个低功率LED而成的高顺向电压、低顺向电流高压中低功率LED。

　　由于光电一体化LED照明模组中，FR4印刷电路板（PCB）与铝基板都可能被当作基板，因此若以低顺向电压、高顺向电流的低压高功率LED为光源，散热问题将是一个相当棘手的瓶颈；相较之下，使用高顺向电压低顺向电流的高压中低功率LED为光源，让LED热能均匀分布，将可大幅降低处理散热问题的困难度。此外，在相同输出功率的情况下，使用高顺向电压低顺向电流的中低功率LED光源，亦可让整个LED照明模组的光源分布较平均，故大多业者在开发光电一体化LED照明模组时，较偏好选用高顺向电压、低顺向电流的中低功率LED光源。

　　除选用适当的LED光源之外，光电一体化LED照明模组该整合何种LED驱动电路架构，亦是设计关键。由于驱动电路须与LED光源整合在同一片印刷电路板上，此时若驱动电路的体积过大，将造成驱动电路遮挡到或吸收掉LED光，使照明模组的光型受影响且降低光输出，因此驱动电路所使用的离散元件数量要尽可能减少，且避免使用体积庞大的被动元件，才能让驱动电路与LED光源达成高度整合，减少驱动电路对LED照明模组光型与光输出的影响。

　　线性定电流方案简化LED电路

　　由于光电一体化LED照明模组中的驱动电路与LED光源相互结合，故此两模组的寿命将影响整个照明模组的使用年限。设计人员要延长整个LED照明模组的有效使用时间，除须选用具长效寿命的LED光源外，还要设法延长驱动电路的寿命。

　　市面上常见的高压LED驱动电路架构大致上可分成叁类，第一种是使用限流电阻的电路架构，第二种为使用交换式转换器的电路架构，第叁种则是使用线性定电流的LED驱动电路架构。其中，限流电阻的电路架构主要透过串联电阻调节LED顺向电流，因此，LED电流将随输入电压变动而变动，产生无法维持在固定值的缺点，目前该方案已逐渐被线性定电流的LED驱动电路所取代。

　　至于採用交换式转换器的电路架构与其他两种比较之后，可发现其具有电路转换效率高的优点，且能依据不同电路类型，满足输入电压是大于、小于或等于输出电压的任何情况。但是，交换式转换器的电路架构须使用磁性元件达成能量传递，因此电路体积较庞大且复杂，同时还要导入到较多的外部离散元件，所以并不太适合做为光电一体化LED照明模组中的驱动电路。

　　最后一种线性定电流的LED驱动电路架构，由于不需额外储能元件，可简化电路设计，因而集体积小、成本低廉和外部离散元件少等优势于一身，成为设计人员开发光电一体化LED照明模组的理想选择。

　　去除电解电容/磁性元件　LED驱动电路更长寿

　　线性定电流LED驱动电路係使用定电流二极管（CRD）的电路架构，架构最简单，但经常在输入电压大于LED顺向电压的情况下，才能够顺利驱动LED，因此当输入交流电（AC），且串联的LED颗数较多时，LED输入电压必须接近峰值才会被驱动，此将缩短LED灯有效点亮时间及总输出流明。

　　为改善此一问题，可採用图2所示的离线式高压线性定电流LED驱动电路，其由桥式整流器、高压线性定电流LED驱动器及LED灯所组成，由于只须使用几个SMD电阻与陶瓷电容（MLCC），并未导入电解电容与磁性元件，因此不会受限于电解电容的使用寿命，而导致驱动电路使用时间缩短，且可大幅减少驱动电路的体积与降低驱动电路的成本。此外，将此一驱动电路与LED光源整合在同一片基板上，形成光电一体设计，对LED照明模组的光型与光输出影响甚小。

　　

　　图2 离线式高压线性定电流LED驱动电路架构图

　　新一代LED驱动器还可依据不同的输入电压大小，自动控制LED灯串被点亮的数目，当输入电压较低时，只有某些LED灯串被点亮，其余灯串则关闭；相反的，当输入电压够高时，全部LED灯串都能点亮。如此一来，在由多个灯串组成的LED灯中，灯串被点亮的数目将依照输入电源的电压大小而变动，如图3为整个交流输入电源的半个週期间，各段LED灯串的电流变动情况。

　　

　　图3 LED灯的电流波形图

　　综上所述，LED驱动电路藉由将串接在一起的LED灯採分段方式驱动，可让驱动电路在输入电压较低时就开始驱动部分灯串，从而增加LED灯在整个交流电源週期内被点亮的时间；如此可在不提升电流的情况下，提高LED灯总输出流明，如图4为LED球泡灯的光电一体化LED照明模组实例。

　　

　　图4 LED球泡灯的光电一体化LED照明模组

　　导入光电一体设计　LED照明模组成本骤降

　　光电一体化的LED照明模组，藉由使用SoB技术将LED光源与LED驱动电路置放于同一片基板将可降低LED照明模组的生产成本。此外，不含磁性元件与电解电容的高压线性定电流LED驱动电路设计也相当重要，由于此电路只使用到几个SMD电阻与陶瓷电容，故本身具有体积小、成本低廉与外部离散元件少的优势，非常适合用于光电一体化的LED照明模组中。藉由结合此高压线性定电流LED驱动电路于光电一体化LED照明模组中，相信将可让室内照明灯具的价格能够更符合一般大众期望。