和燈泡或日光燈管比較起來，LED不單體積更小，而且放射出來的光線具有方向性並可由一個低壓的直流電驅動。乙太網路供電（PoE）是一個IEEE認可的標準，它透過標準的乙太網路電纜提供電力，而這些電纜同時也可提供網路服務。PoE供電系統可在長達100米的電纜上，在48VDC下提供15W的電力，而48VDC的分配式匯流排是在電纜末端發放低功率和高亮度光線的最佳選擇。此外，對於LED驅動器而言，採用DC-DC轉換器比起AC-DC轉換器的效果更佳，因為後者需使用更多零件和空間，而且效率亦比較低。事實上，LED和PoE兩者好像是互為對方而生，合適的PoE再加上高功率的LED，即可誕生出一個無懈可擊的方案。

完美方案

IEEE 802.11af規定在電源處的最高功率為15W。在一般電壓48V下，輸出電流為350mA。

然而，CAT5乙太網路電纜原本在設計時並沒有預期要用來輸送電力，故一般只是採用細小的24線規銅線。因此，長距離的功率損耗（PoE電纜的長度可達100米）可達2W，剩下只有約13W給負載。為了解決這個問題，需要使用10個1W的LED來組成一個光源，並用一條12英尺長的CAT5電纜把燈泡連接至電源。這樣一來，LED的照明效能便可大幅提升，標準的1W裝置可發出每瓦50流明的光度，而最好的裝置則可達每瓦100流明，並將不斷改進。

北美的LED製造商所製造的1W功率LED將LED的裸片與表面黏著封裝結合，當中包括一塊可提供朗伯（lambertian）觀景角度的鏡片和一個用來安放裸片的銅套，以便為散熱提供一個低熱敏電阻介面。這一系列的1W LED裝置，共有七種顏色：紅、紅橙、黃、綠、青、藍和蔚藍，以及三種白色的色溫：冷白（5000K～10000K）、軟白（3500K～5000K）和暖白（2600K～3500K）。PoE「饋電器」是一個供電系統（PSE），它從乙太網路電纜提取資料並在雙絞線上加入電源。具備有八個輸出埠的饋電器可從數家電訊設備製造商處購得，代表這個「方案」是一個照明系統，每種顏色均有一個PoE LED燈，能夠在任何給定時間供電給八個LED燈。

《》

電源方案

現今有數家類比半導體製造商可提供兩種基本的零件來製件10W的PoE LED燈，它們是802.11af認可的受電裝置（PD）介面和一個高效率的LED驅動器。該PD介面可檢測PSE的乙太網路供電可用性，並且可以在起動時為湧流限制提供軟起動，亦可在備用狀態期間提供電流限制和「電源良好」標籤的邏輯訊號，以便告知負載電源己準備發送。圖一所示為PoE LED的電路原理圖，它提供有一個PD介面但不包括任何類型的開關式穩壓控制器。這個設計可自由選用任何的DC-DC轉換器拓墣。

串連成一行的十個LED需要的總電壓範圍由22.5V（AlInGaP紅色和黃色LEDs的典型順向電壓）至40V（用來順向偏壓InGaN綠、藍和白色LED的最大電壓）。這意味即使在最惡劣的條件下，LED驅動器的輸出電壓都將會比輸入電壓為低，從而允許使用升壓或降壓穩壓器來驅動LED。

(公式一)

即使輸出電流是一個可控制的參數，但它其實亦是輸入電壓和輸出電壓之間的一種關係，並可支配什麼樣的DC-DC轉換器拓墣作為設計。高功率效率和低零件用量支持降壓穩壓器比起其他任何類型的開關穩壓器能得出更佳的LED驅動效果。

LED驅動器是一個DC-DC電源，它提取輸入電壓並在一個輸出電壓範圍下提供一個受控的輸出電流。這種做法剛好與傳統的功率DC-DC轉換器相反，因為它們是在一個輸出電流的範圍下提供一個受控的輸出電壓。可是，乍看之下，使用在PoE LED燈的開關穩壓器的確與其他降壓穩壓器很相似，它包含全部所需的主要元件：一個功率開關（內置於電路的N-MOSFET）、一個用作電流再循環的肖特基（Schottky）二極體、一個電感器，以及輸入和輸出電容器。不過，假如深入地觀察便會發現兩者間的分別，而這個分別就促使這個降壓穩壓器變成一個電流控制LED驅動器。在設計中，LED串列取代了上面的回饋分頻器電阻，而在底下的回饋分壓器電阻其實是一個電流感測電阻器。在這種配置中，輸出電壓會不斷上升直至有足夠的電流流通電流感測電阻，並令到輸出電壓相當於回饋電壓。假如把LED放置在V0和CS之間，電流一樣會通過它們。至於輸出電容器，它們會與LED並列在一起形成一個濾波器，以降低通過LED的漣波電流。一個降壓LED驅動器可在沒有任何的輸出電容器下運行，在這情況下的電感便需負責控制LED的漣波電流。對於一些需要嚴謹控制漣波電流的應用來說，這會導致所需的電感增加，進而造成電感器本身的體積過大。

美國電源管理集成電路供應商所供應的降壓穩壓器，專門用來利用定流去供電給LED，並且可提供超過70V的輸入電壓範圍和超過48V PoE的寬闊輸入。其降壓穩壓器有兩個特點使它不同於其他穩壓器。首先，回饋電壓（易名為CS，即電流偵測）會內部地削減至0.2V，以便將R2內的功率耗散減至最少。其次，其啟動引腳（易名為DIM）是一個快速邏輯輸入，它只會關閉功率FET。這樣的安排可以減少傳導延遲，並且可在用PWM調光時達到最佳的對比率。

《圖二　PoE 燈的內部俯瞰圖》

散熱方案

作為一個完美的方案，最高的機箱溫度被規定為50℃以下，如超過這個臨界值，那麼工程人員便無法在製作LED燈時把手放在機箱上。此外，美國LED製造商亦生產1英吋×5英吋的金屬核心電路板（MCPCB）XR LED，這種LED每一個佔據1平方英吋的空間。所有五個裝置都串列在一起，以確保每個的驅動電流是相同，並且每個LED的光輸出都得到平衡。兩行共十個LED所佔的面積約為2×5英吋，其總光線輸出介於冷白的500流明至藍色的150流明。（蔚藍色LED之光線輸出值由輻射度功率所指定）。兩行LED會被安置在一個鎂製機箱的前端，大小為6英吋寬、2.5英吋高和4英吋深。至於散熱方面則由一對置於箱外的鎂金屬散熱器來負責，其大小為1.75英吋×2.25英吋×0.5英吋，它直接被安裝在機箱前面的MCPCB之後。散熱油脂會施加到MCPCB和散熱器上，使到機箱本身可作進一步散熱。

美國電源管理集成電路供應商所供應的PoE用電設備控制器，同樣備有表面黏著封裝，在外面有一個外露的散熱片。通常，電源電路都需承受較高的環境溫度，而LED應用亦不例外。這種散熱加強封裝善用了PCB作為散熱器。驅動電子被安裝在標準的FR-4上並且如圖二所示通過一條電線連接到LED。至於封裝的熱阻，例如是安裝在含有兩盎司銅成份的FR-4上的eTSSOP-14和PSOP-8，其熱阻大約為50℃/W。對於這類LED燈來說，其機械設計並不容許將LED驅動器放置在設有LED的MCPCB上，但必須注意到具備有外露散熱片的封裝，當它們安裝在MCPCB上時的熱阻會低於10℃/W。因此，照明系統的設計人員可以利用這個優勢來用盡驅動電子的每一個毫瓦。

PWM調光

假如所設計出來的LED照明系統，需要在某特定的光線輸出範圍內維持LED的顏色或色溫時，便必須採用脈衝寬度調變（PWM）技術來調光。然而，最麻煩的地方是要找出一個調光頻率，而該頻率不會造成聽覺範圍內的雜訊。在LED驅動器內的電源開關頻率通常介乎100kHz和1MHz之間，遠遠超出人類的可聽範圍。一般而言，調光頻率都會低很多，原因是開啟和關閉一個開關轉換器的輸出，其所需的時間會比開關一個功率MOSFET長很多。基於這個原因，由LED驅動器開關週期所引致的傳導延遲和輸出電流轉換率會消耗某一固定量的時間。隨著調光頻率的增加，調光週期時間便會下降，從而令固定時間內的延遲會消耗更大部份的調光週期。

一個採用單精確度計時器的方波產生器能提供50％至100％的調光功能，並且可在具備7V備用功率的LED穩壓器下運行。這個低成本的純粹模擬方案並非最理想的操作，尤其在LED照明設計人員最關注的雜訊問題上。單精確度計時器計時器會作為一個非同步多重振盪器，隨著工作週期的變化而改變頻率，因此設計初期會用上盡可能低的頻率，例如是200Hz至300Hz，因為一般來說200Hz會被視為最低的頻率，在這頻率下所產生的閃爍和個別脈衝都是肉眼看不到的。如此一來，設計會在100％以外的任何調光工作週期下，產生出一種清楚可聽而且令人煩擾的嗡嗡聲，因此令到最終的調光頻率由增加至20kHz。這種可聽雜訊會延伸到最終的設計，原因是在50％的最低工作週期時，單精確度計時器會變得稍為非線性，導致在大約50％調光時出現調光頻率急降。假如進一步增加調光頻率，便會將LM3402HV的DIM接腳的回應時間推至極限。一個簡單的微控制器能夠在固定的頻率下處理從0至100％的工作週期，從而締造出一個超級的調光方案，尤其是當它可從一個像單精確度計時器的VCC穩壓器之備用功率下運行。

結語

XR LED的官方功率耗散大約為1W，但如要精確地計算出真正的典型功率，便必須將它們的順向電流300mA乘以其順向電壓。表一為在25℃和溫度穩定狀態下時各顏色LED的典型VF值，而資料是在實驗室溫度25℃下將燈開著一小時後錄取。雖然真正的裸片溫度難以測量，但可憑InGaN和AlInGaP的順向電壓係數來估計出最終的裸片溫度，結果發現溫度遠遠低於由美國LED製造商規定的125℃限制範圍以內。

內文: 溫度量度結果和效率

雖然至目前為止尚未進行量產，但PoE LED燈已展示了其將兩種技術結合後的優點，能夠輕易地在一些沒有AC電源提供的地方設立照明設施。PoE供電系統提供隔離和功率因數修正，從而減輕了在電源網路上設立照明的負擔。建於燈後的內置開/關和調光控制可以通過乙太網路的閒置資料線來作遠端控制。適合這個方案的應用包括有舞臺或電影院燈光、臨時佈置燈光、保安攝影機照明或現時常用於展覽會的地上投影效果。

--作者為NS 美國國家半導體Staff Applications--