一、前言

随着环保意识盛行，多数户外照明已采用LED灯汰换旧有的气体放电灯(HID)以提升发光效率并减少排碳量。处于大数据通信的时代，照明不再仅是执行单方向的控制，更可灵活地实现双向互动，因此提升都市生活质量亦改善居家治安环境。例如，过往的室外感应灯仅具备有红外线探测智能照明的机制，随着高阶户外感应灯日渐普及，系统设备可安装高像素录像、高精度物体距离检测功能与声音反馈，并且无线传输实时影像。由于照明系统添加新设备，系统内部电源规划也有了新的设计思维，若要兼具外观尺寸、户外抗雷能力、节能与法规相关需求，电源供应架构选用也备受限制。以下章节将探讨常用的电源架构与实现的可行性。

二、智能照明电源架构

智能设备整合于照明系统，为日常带来极大便利性。设备种类包含了无线网络设备、高像素动态录像、红外线（PIR）或雷达感应、交互式对讲机与扩音器等。若将全部设备整合于单一系统，可想象大约有3W~10W不等的电源需求，此新增功率取决于用户要求设备的性能。然而，一般照明系统若单纯考虑调光功能，市面上已有充足对策，以总输出功率区分架构可划分为单级与双级架构。若基于原本LED定电流电源外加供给智能设备的电压输出级，此种多组输出电源复杂度较高。以下探讨三种以常见电源架构组合出可能的方式：

（１）双组返驰式转换器并联 : 

由于单一多组输出之返驰式转换器无法同时驱动定电流LED并提供稳定的电压输出给智能设备，故衍生出各自驱动两种负载的并联架构(如下图一)：一组具有功率因数校正功能并提供稳定电流源给LED，另一组为功率较小、常用于充电器或服务器辅助电源的传统返驰式转换器，用以提供稳定电压源给智能设备，此方式可使两组输出互不受影响。但考虑智能设备所需功率仍占总功率不少比重，约15%~30%，其产生的输入谐波电流将迭加于另一组功率因数校正后的输入电流，影响功率因数值与总输入谐波，故此方式仅能应用在智能设备功耗较小的产品。此外，以单级架构驱动LED成本虽然低，但来自市电的低频弦波将通过变压器映射至输出而有较大的电流涟波，仅能依靠加重输出滤波器件抑制交流成分以顾及光输出质量。

图一，双组转换器并联同时供应LED与智能设备示意图

（２）单级返驰式转换器搭配双组直流转换器(Flyback plus DC-DC converter)：

为改善前述功率因数校正的不良问题，智能设备采用的电源转换器仅适合连接到功率因数校正级后方。由于智能设备要求的电压涟波等级较为严苛，故不适合直接由功率因数校正级输出，否则将大幅度增加输出滤波电容以抑制来自市电的低频涟波，故建议独立出一组直流转换器来供电。另一组直流转换器则用以实现稳定的电流源控制，使LED有较佳的光输出质量，整体架构如图二。

关于多组输出，来自次级侧的供电可采用单绕组与双绕组两种做法。若采用单绕组设计，则建议将次级绕组电压设置在两组输出电压之间，此做法通常需要一升压型恒流转换器供电给LED，另一组则为降压转换器。原因为LED端电压动辄数十伏特，与智能设备常用的5V差距甚大，此举可使任意一组直流转换器的效率不会因为输入与输出的电压差过大而导致整机效率恶化。

次级侧采用双组绕做法为调整圈数比例，目的使各组转换器输入与输出压差能减至最小，从而提升转换器效率，但必须注意单一变压器设计多组输出常见的电压调整率问题，避免转换器输入电压低于临界值而无法动作。尤其，现今的节能规范促使智能设备实现较低的待机功耗，当双组负载各自处于极端的轻载与重载组合下，能评估最差情况的电压调整率，这也考验变压器绕线设计，必须针对次级绕组间的耦合关系取得解决方案，但往往会妥协于效率，例如牺牲初次间绕组的耦合造成变压器漏感增加，或是放置虚拟负载于输出端等方式。

然而，针对户外智能照明的应用，返驰式架构仍受限于功率范围，无法比拟于路灯采用的双极架构。此外，抗雷击能力是户外电源重要性能之一，具备功率因数校正功能的隔离型电源皆欠缺大型电容的输入端，故雷击发生时无法有效吸收能量而造成器件过压损坏，仅能增加升级组件耐压或加装突波吸收器来克服问题。此外，有关于待机功耗性能，在灭灯模式(dim-to-off)情况下，虽然LED驱动电源可设置成待机模式，但无法通过关闭返驰式转换器达到省电目的，因为供给智能设备的电源得持续维持。故此架构在待机时仍有两组电源转换器处于工作状态，有较高的待机损耗。

图二，功率因数校正返驰式转换器搭配双组直流电流源转换器架构图

（３）双极架构搭载返驰式转换器

如图三，此架构优势可在电源尺寸与雷击耐受度间取得较佳的平衡，升压型功率因数转换器也提供更低的总谐波失真。然而，设计工程师不免顾虑整体电路空间过大而影响灯具尺寸，但现实上，在消费性电源趋于小型化的推波助澜下，市面上已有不少成熟方案可缓解此问题，无论是LED驱动或充电器应用皆有不少导入初级控制(primary side regulation, PSR)的案例，可大幅减少器件数并降低电路成本。此外，在dim-to-off模式下，依靠此型IC能获得较低的耗电量与省电控制机制，待机功耗较为容易符合严苛的节能规范。 

图三，双极架构搭载返驰式转换器架构示意图

三、应用参考

综观前章节探讨的电路架构，相较之下，双极架构更利于户外智能照明系统的开发，故接续前章节来探讨其最佳实现方案。电源控制器选用为系统设计过程关键的一环，悠关照明系统的产品竞争力。下列设计考虑可提供参考：

(1) 初级控制模式：无论是针对定电压输出或定电流输出应用，初级控制相对于次级控制能节省更多初级与次级的PCB面积，也省去次级侧的反馈电路。对于兼顾外观小型化设计与降低成本有莫大的帮助。

(2) 整合型双级电源控制器 : 双极架构本身的组件数量多于单级架构，故精简器件数是重要的课题，除了采用初级控制简化电路，若将功率因数校正电路、返驰式LED电流驱动控制与高压启动电路单元整合于单一半导体封装内可大幅减少外围器件数。

(3) 弹性设计：此项目可分为控制与保护进行探讨。在电流控制方面，初级控制模式能为系统带来不少效益，但若要精准地控制LED电流则要有精确的算法及开放相关参数的可调与补偿功能。由于初级电流控制乃透过仿真次级电流，透过已知的初级电压信号、变压器圈数比与耦合因子等换算LED平均电流，过程中不免有繁杂的运算，此对于数字控制器来说是易于实现的。通过精确的计算，在合理器件误差至可量产的情况下，要实现满刻度电流５％的精度是可行的，甚至可趋近于次级控制模式之精确度。在系统保护方面：针对不同灯具系统特性，LED驱动必须要涵盖其电压与电流的变动范围，针对LED开路时的保护电压、异常情况下出现的过功率与过低的电压，必须有机制能侦测并及时反应。而在输入线电压异常过高或过低情况下为了避免驱动器损坏，也必须要禁能控制器动作。若遇到照明系统内部温度上升过高时，控制器的保护模式依据应用场合可设置为实时保护，或渐近式调低亮度的方式。以上异常状况为户外应用常遇到的案例，若控制器可针对不同灯具的配置情况，弹性地客制化保护模式，减少外围保护电路器件，可带来设计的便利性与产品竞争优势。

(4) 待机指令功能：在调控灯灭的指令状态下(dim-to-off)，系统供应给智能设备的电源仍处于工作状态，而双级控制器必须具备接收待机命令的机制，以进入省电模式达到节能。较为简易的方式是判断调光信号(通常为PWM调光或DC电压调光) 来决定是否进入或脱离dim-to-off的状态。由于待机信号皆来自二次侧，若控制器无此机制，则必须另外加一组光耦合器连结IC具有致能待机模式的脚位，或通过信号切断双级控制器的电源供应，而此方式则需要较多的外围电路。

(5) 通信传输界面与调光：虽然此功能在中低阶调光照明为非必要的，且需要搭配微控制器(MCU)的应用，倘若智能照明需要电源相关信息的反馈，例如：拮取灯具环境或控制器的本体温度、输入电压、输入功率与电流等，可通过UART或I²C等方式，由初级控制器或MCU来执行数据传输，也可反馈电源系统的失效模式。通常此型照明系统为高端的产品，搭载智能设备的LED灯具会针对电源质量或环境状态自行调整输出，使户外照明应用更加灵活，并延长灯具使用寿命。而通讯传输界面也用来执行数据调光，区别于常见的调光方式。由于控制器只认可数字指令信号，故不易受到干扰而影响高度，相较于一般常见PWM调光或DC调光：PWM调光的误差取决于高准位与低准位的采样率，高采样率则有较高的IC损耗，CPU规格也反映于成本上。而ＤＣ调光误差存在于PWM信号透过光耦器传送至初级与并滤成DC直流信号的过程，多半来自于光耦器件制造误差与温度敏感特性等，因此，相较之下数据调光更能实现强健与精确的调光。在多组LED电源应用情况下，数据调光方式可使多个照明电源控制器分辨属于自身的指令，调整各别灯具亮度或反馈各组灯具电源的状态。

以下为户外智能照明系统实现的案例，总输出功率40W，其中智能设备功率规划占比为20%。双级架构采用英飞凌数字控制器 XDPL8221，搭配初级控制的返驰式转换器(采用ICE5QSAG)以实现小型化电源设计。此系统在输入电压范围(100Vac~230Vac)内满载条件下可满足功率因数值95％以上，总谐波失真低于12%，整体系统效率可高于85%。

图四，照明系统架构实现案例

图五为控制器功能方块与外部接线示意图，图六为电源系统电路板。此控制器有开放参数可调功能，通过图型化界面(Graphical user interface, GUI)操作，使工程单位在开发阶段易于除错与优化电源性能，例如：用户可尝试调整操作模式以提升期望负载点的效率，或通过参数微调补偿值使调光曲线更贴近线性度等。针对保护功能，控制器亦开放设计者去依据系统需求弹性设置，例如：市电电压异常保护、LED开路与过功率保护、控制器内部与外部的温度探测与降电流等。而控制器搭载的UART通信接口与调光功能，对于未来系统功能扩充有实质性帮助。

图五，双级控制器功能方块图与电路示意图

图六，用于智能照明之电源系统板

四、结论与未来展望

关于5G时代的来临，未来将有更高速与可靠的数据传输，户外照明设备也即将推广成为基础设施以提高5G城市的覆盖率。在某些先进城市，部份照明系统已配置物联网功能，例如，路灯照明的应用，除了可作为网络热点，也可进一步提供行车信息以确保更安全与顺畅的驾驶。通信设备结合多项探测传感器是照明系统的新需求，也带来新一波电源设计趋势，故本文探讨的电源架构与参考方案也结合未来的照明应用，期望读者在电源架构选用方面能得到灵感与实质性帮助。