浅谈户外智能照明电源设计趋势

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