淺談戶外智慧照明電源設計趨勢

作者 : 洪士恆,英飛凌科技(Infineon)應用工程師

隨著環保意識盛行,多數戶外照明已採用LED汰換舊有的氣體放電燈(HID)以提升發光效率並減少排碳量。處於大數據通訊的時代,照明不再是僅執行單方向的控制,更可靈活地實現雙向互動,因此提升都市生活品質亦改善居家治安環境。

隨著環保意識盛行,多數戶外照明已採用LED汰換舊有的氣體放電燈(HID)以提升發光效率並減少排碳量。處於大數據通訊的時代,照明不再是僅執行單方向的控制,更可靈活地實現雙向互動,因此提升都市生活品質亦改善居家治安環境。例如,過往的室外感應燈僅具備紅外線(PIR)偵測致能照明的機制,隨著高階戶外感應燈日漸普及,系統設備可安裝高畫質錄影、高精準度物體距離偵測功能與聲音回饋,並且無線傳輸即時影像。由於照明系統添加新設備,系統內部電源規劃也有了新的設計思維,若要兼具外觀尺寸、戶外抗雷能力、節能與法規相關需求,電源供應架構選用也備受限制。以下章節將探討常用之電源架構與實現的可行性。

智慧照明電源架構

智慧設備整合於照明系統為日常帶來極大便利性,設備種類包含了無線網路設備、高畫質動態錄影、紅外線或雷達感應、互動式對講機與擴音器等,若將全部設備整合於單一系統,可想像大約有3W~10W不等的電源需求,此新增功率取決於使用者要求設備的性能。然而,一般照明系統若單純考量調光功能,市面上已有充足對策,以總輸出功率區分架構可劃分為單級與雙級架構。若基於原本LED定電流電源外加供給智慧設備的電壓輸出級,此種多組輸出電源複雜度較高。以下探討三種以常見電源架構組合出可能的方式。

(1)雙組返馳式轉換器並聯

由於單一多組輸出之返馳式轉換器無法同時驅動定電流LED並提供穩定的電壓輸出予智慧設備,故衍生出各自驅動兩種負載的並聯架構(圖1):一組具有功率因素校正功能並提供穩定電流源予LED,另一組為功率較小、常用於充電器或伺服器輔助電源的傳統返馳式轉換器,用以提供穩定電壓源給智慧設備,此方式可使兩組輸出互不受影響。但考量智慧設備所需功率仍佔總功率不少比重約15~30%,其產生之輸入諧波電流將疊加於另一組功率因素校正後之輸入電流,影響功率因素值與總輸入諧波,故此方式僅能應用在智慧設備功耗較小的產品。此外,以單級架構驅動LED成本雖然低,但來自市電的低頻弦波將透過變壓器映射至輸出而有較大的電流漣波,僅能仰賴加重輸出濾波元件抑制交流成份以顧及光輸出品質。

圖1 雙組轉換器並聯同時供應LED與智慧設備示意圖。

(2)單級返馳式轉換器搭配雙組直流轉換器(Flyback plus DC-DC converter)

為改善前述功率因素修正不良問題,智慧設備採用的電源轉換器僅適合連接於功率因素校正級後方。由於智慧設備要求電壓漣波等級較為嚴苛,因此不適合直接由功率因素校正級輸出,否則將大幅增輸出濾波電容以抑制來自市電的低頻漣波,建議獨立出一組直流轉換器供電。另一組直流轉換器則用以實現穩定的電流源控制,使LED有較佳的光輸出品質,整體架構如圖2。

圖2 功率因素效正返馳式轉換器搭配雙組直流電流源轉換器架構圖。

關於多組輸出,來自次級側的供電可採用單繞組與雙繞組兩種做法。若採用單繞組設計,則建議將次級繞組電壓設置於兩組輸出電壓之間,此做法通常需要一升壓型恆流轉換器供電給LED,另一組則為降壓轉換器。原因為LED端電壓動輒數十伏特,與智慧設備常用的5V差距甚大,此舉可使任一組直流轉換器效率不會因為輸入與輸出電壓差過大而惡化整機效率。

次級側採用雙組繞做法為調整圈數比例,目的使各組轉換器輸入與輸出壓差能減至最小而提升轉換器效率,但必須注意單一變壓器設計多組輸出常見的電壓調整率問題,避免轉換器輸入電壓低於臨界值而無法動作。尤其,現今的節能規範促使智慧設備實現較低的待機功耗,當雙組負載各自處於極端的輕載與重載之組合下,能評估最差情況的電壓調整率,這也考驗變壓器繞線設計,必須針對次級繞組間耦合關係取得解決方案,但往往會妥協於效率,例如犧牲初次間繞組的耦合造成變壓器漏感增加,或是放置虛擬負載於輸出端等方式。

然而,針對戶外智慧照明的應用,返馳式架構仍受限於功率範圍,無法比擬路燈採用的雙極架構。此外,抗雷擊能力是戶外電源重要性能之一,具功率因素校正功能的隔離型電源皆欠缺大型電容輸入端,因此雷擊發生時無法有效吸收能量而造成元件過壓損壞,僅能增升級元件耐壓或加裝突波吸收器來克服問題。此外,有關於待機功耗性能,在滅燈模式(dim-to-off)情況下,雖然LED驅動電源可設置成待機模式,但無法透過關閉返馳式轉換器達到省電目的,因為供給智慧設備的電源得持續維持,以至於此架構在待機時仍有兩組電源轉換器處於工作狀態,有較高的待機損耗。

(3)雙極架構搭載返馳式轉換器

如圖3,此架構優勢可在電源尺寸與雷擊耐受度間取得較佳的平衡,升壓型功率因素轉換器也提供更低的總諧波失真。然而,設計工程師不免顧慮整體電路空間過大而影響燈具尺寸,但現實上,在消費性電源趨於小型化的推波助瀾下,市面上已有不少成熟方案可緩解此問題,無論是LED驅動或充電器應用皆有不少導入初級控制(primary side regulation,PSR)的案例,可大幅減少元件數並降低電路成本。此外,在dim-to-off模式下,仰賴於此型IC有較低的耗電量與省電控制機制,待機功耗可輕易符合嚴苛的節能規範。

圖3 雙極架構搭載返馳式轉換器架構示意圖。

應用參考

綜觀前面章節探討的電路架構,雙極架構相較之下更利於戶外智慧照明系統開發,因此接續前文探討其最佳實現方案。電源控制器選用為系統設計過程關鍵的一環,悠關照明系統的產品競爭力。下列設計考量可做為參考:

  • 初級控制模式:無論是針對定電壓輸出或定電流輸出應用,初級控制相對於次級控制能節省更多初級與次級的PCB面積,也省去次級側的回授電路,對於兼顧外觀小型化設計與降低成本有莫大的幫助;
  • 整合型雙級電源控制器:雙極架構本身的元件數量多於單級架構,故精簡元件數為重要的課題,除了採用初級控制簡化電路,若將功率因素校正電路、返馳式LED電流驅動控制與高壓啟動電路單元整合於單一半導體封裝內可大幅減少週邊元件數;
  • 彈性設計:此項目可分為控制與保護進行探討。在電流控制方面,初級控制模式能為系統帶來不少效益,但若要精準地控制LED電流則要有精確的演算法及開放相關參數的可調與補償功能。由於初級電流控制是透過仿真次級電流,透過已知的初級電壓訊號、變壓器圈數比與耦合因數等換算LED平均電流,過程中不免有繁雜的運算,此對於數位控制器是易於實現的。透過精確的計算,在合理元件誤差至可量產的情況下,要實現滿刻度電流5%的精準度是可行的,甚至可趨近於次級控制模式的精確度。
  • 系統保護方面:針對不同燈具系統特性,LED驅動必要涵蓋其電壓與電流的變動範圍,針對LED開路時的保護電壓、異常情況下出現的過功率與過低的電壓,必須有機制能偵測並及時反應。而在輸入線電壓異常過高或過低情況下為了避免驅動器損壞,也必須要禁能控制器動作。若遇到照明系統內部溫升過高時,控制器的保護模式依應用場合可設置為即時保護,或漸近式調低亮度的方式。以上異常狀況為戶外應用常遇到的案例,若控制器可針對不同燈具的配置情況,彈性地客製化保護模式,減少週邊保護電路元件,可帶來設計的便利性與產品競爭優勢;
  • 待機指令功能:在調燈滅的指令狀態下(dim-to-off),系統供應給智慧設備的電源仍處於工作狀態,而雙級控制器必須具備接收待機命令的機制,以進入省電模式達到節能。較簡易的方式為判斷調光訊號(通常為PWM調光或DC電壓調光)來決定是否進入或脫離dim-to-off的狀態。由於待機訊號皆來自二次側,若控制器無此機制,則必須外加另一組光耦合器連結IC具有致能待機模式的腳位,或透過訊號切斷雙級控制器的電源供應,而此方式則需要較多的週邊電路;
  • 通訊傳輸介面與調光:雖然此功能在中低階調光照明為非必要,且需要搭配微控制器(MCU)的應用,倘若智慧照明需要電源相關資訊的回報,例如:擷取燈具環境或控制器的本體溫度、輸入電壓、輸入功率與電流等,可透過UART或I2C等方式,由初級控制器或MCU來執行資料傳輸,也可回報電源系統的失效模式。通常此型照明系統為高階的產品,搭載智慧設備的LED燈具會針對電源品質或環境狀態自行調整輸出,使戶外照明應用更加靈活,並延長燈具使用壽命。而通訊傳輸介面也用來執行數據調光,有別於常見的調光方式。由於控制器只認可數位指令訊號,因此不易受干擾而影響高度,相較於一般常見PWM調光或DC調光:PWM調光的誤差取決於高準位與低準位的取樣率,高取樣率則有較高的IC損耗,CPU規格也反映於成本上;而DC調光誤差存在於PWM訊號透過光耦器傳送至初級與濾成DC直流訊號的過程,多半來自於光耦元件製造誤差與溫度敏感特性等,因此,相較之下,數據調光更能實現強健與精確的調光。在多組LED電源應用情況下,數據調光方式可使多個照明電源控制器分辨屬於自身的指令,調整各別燈具亮度或回報各組燈具電源之狀態。

以下為戶外智慧照明系統實現的案例,總輸出功率40W,其中智慧設備功率規劃佔20%。雙級架構採用英飛凌數位控制器XDPL8221,搭配初級控制的返馳式轉換器(採用ICE5QSAG)以實現小型化電源設計。此系統在輸入電壓範圍(100Vac~230Vac)內滿載條件下可滿足功率因素值95%以上,總諧波失真低於12%,整體系統效率可高於85%。

圖4 照明系統架構實現案例。

圖5為控制器功能方塊與外部接線示意圖,圖6為電源系統電路板。此控制器有開放參數可調功能,透過圖型化介面(GUI)操作,使工程單位在開發階段易於除錯與最佳化電源性能,例如:使用者可嘗試調整操作模式以提升期望負載點的效率,或透過參數微調補償值使調光曲線更貼近線性度等。針對保護功能,控制器也開放設計者依據系統需求彈性設置,如市電電壓異常保護、LED開路與與過功率保護、控制器內部與外部溫度偵測與降電流等。而控制器搭載的UART通訊介面與調光功能,對於未來系統功能擴充有實質幫助。

圖5雙級控制器功能方塊圖與電路示意圖。

圖6 用於智慧照明的電源系統板。

結論與未來展望

關於5G時代的來臨,未來將有更高速與可靠的數據傳輸,戶外照明設備也即將推廣成為基礎設施以提高5G城市的覆蓋率。在某些先進城市,部份照明系統已配置物聯網功能,例如,路燈照明的應用,除了可作為網路熱點,也可進一步提供行車資訊以確保更安全與順暢的駕駛。通訊設備結合多項偵測感應器為照明系統的新需求,也帶來新一波電源設計趨勢,本文探討的電源架構與參考方案亦連結未來的照明應用,期望讀者在電源架構選用方面能得到靈感與實質上的幫助。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年6月號雜誌

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