發光二極管（LED）照明正成為產業的首選技術，尤其是在惡劣環境條件的場合，LED解決方案是耐用且從不會完全失效，然其光量確實會隨時間而減弱。採用自動調光測量LED光輸出，同時調整電源，可有效地在燈泡的整個使用壽命期間保持恆定的光輸出。如此可在不同的製作方式下保持穩定的亮度，且大大延長燈泡的使用壽命，本文將闡述如何使用各種感測器技術運作且適用于街道、辦公室和工廠的照明的電路範例。

　　系統層級的生態設計須面面俱到

　　就生態設計（Ecodesign）而言，對于特定的應用，延長使用壽命永遠是人們所希望的，因為它與生態衝擊（Ecological Impact）直接相關。此不像想像的那么容易，因為創新永不停止，新標準和新應用的可能性須被納入考量，且須要實現新功能。重要的是不要僅執行最低標準，還要建立預載有各種新功能、同時能帶來一定彈性的更佳產品。美國太空總署的「火星漫游車（Mars Rover）」就是一個很好的例子，大量的技術支援幫助這項計畫的導入，并使計畫啟動時間大幅提前。

　　除了彈性之外，讓LED具有如此長壽命的可能性亦至關重要，對此，有叁類影響須要考慮：快速變化的影響（如接通電流）、緩慢變化的影響（如漂移）及外部影響。

　　對于所有應用而言，導通電流是一種重要的應力。電源中的大型匯流排電容正是有可能造成此種應力的主因。此外，開啟電源時的不明確狀態可能給應用帶來應力。為避免這些狀況，應該在整個設計階段使用失效模式與影響分析（FMEA）來對電路效能進行仔細的分析。在完成的應用設計中，還須要檢驗導通和關斷過程中的電流和溫度，在設計階段，可能因此兩點未被注意，結果往往導致在后期造成現場故障。

　　圖1顯示由導通電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化，此時雖然其他元件處于冷狀態，但整流器的溫度卻明顯升高，可能影響產品使用壽命。許多二、叁十年前開發的應用採用能避免漂移所引發故障的電路技術，由于后來使用的眾多元件具有較大的公差水平和更大的漂移，所以開發對元件特性依賴較少的電路。為延長一項應用產品的使用壽命，許多這類技術不在現今生態設計的考慮之列，如此便增加電路設計的復雜性，使得元件數目增加。電子線路的環保影響通常低于工作能耗所引起的影響，所延長的使用壽命可彌補增加的復雜性。

　　圖1 導通電流引起的電源輸入橋式整流器溫度變化

　　功率電子是所有應用和產品的一個重要部分，尤其是在生態設計的考慮之中，因為子系統透過效率等特性影響到環保效能，如較低的效率意味著應用產品須採用較大的散熱片，從而在生產和應用過程中消耗更多能量，并須使用更多的能量進行運輸和回收。因此，建議設計人員能夠考慮到最高效率和較大的輸入電壓範圍的運用，以便減少元件的數量，獲得最大的靈活性，因為此部分日后無法進行更動，如利用軟體修改。

　　在照明應用中，使用LED解決方案是大勢所趨。除具有更高的效率之外，LED本身亦具有很長的使用壽命，LED驅動電子裝置在設計上應該盡量利用LED的長效使用壽命。圖2為此種照明方案的示意圖。

　　圖2 LED照明方案示意圖

　　路燈照明是這類照明方案的一個特殊實例，沒有任何其他照明應用結合多元化的要求，如溫度、濕度、振動等不斷變化的環境因素，以及高效率、高可靠性和低耗電量需求，都在照明解決方案的考慮因素之內，同時亦要考慮大量生產和承受相對應的價格壓力。隨著燈泡功耗的變化，溫度會從-40℃變為85℃，導致溫度大幅上升。重點是必須注意到，每個（每日）導通週期會引發一次溫度週期，此意味著在系統層面上，5年中燈泡會有接近兩千次溫度週期，為系統帶來很大的應力。

　　由于路燈照明的成本是城鎮預算的一個重要部分，人們特別關注高效率的能力，以期幫助降低路燈的運作成本。目標是使用最少的電能來提供街道或人行道所需足夠的亮度，這當中還不包括后續的維護成本，若使用壽命較短的燈泡，其維護成本也會更加可觀。粗略估計一定人口使用路燈數量的方法，是按照每六個居民一盞路燈的比例來計算，按照這樣的比例，德國大約有一千叁百叁十萬盞路燈，節能潛力非常驚人。因此，許多城市和社區轉而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇，部分更換整個燈泡，或者更換燈頭。

　　路燈預防性維護至關重要

　　面對上述種種要求，這樣的電源設計相當復雜，但并不是不可能。圖3的左側是輸入濾波器和橋式整流器的範例，后面跟著一個特殊的電路，其中回饋電路使用一個邊界導通模式（BCM）-功率因數校正（PFC）-控制器。通常，電源週期內開關頻率要發生變化，以保持輸出電壓的恆定。此處，使用振盪器（內有Q102的電路）維持恆定的開關頻率，從而在整個電源週期內維持一種恆定的工作週期，此可改變工作週期（雖然以極低的速度），以便調整輸出電流。因為LED不是動態負載，所以不會產生問題，藉由這種改變，輸入電流將與輸入電壓對應，轉換器將恆定工作于不連續導電模式（DCM），獲得極佳的功率因數。

　　圖3 路燈電源設計架構

　　圖4顯示整個電源週期內初級側（黑色）和次級側（灰色）的電流。很明顯，電流的峰值呈正弦形曲線，此使其能在使用小輸入電容時，仍獲得好的功率因數和低傳導輻射。

　　圖4 電源週期內初級側與次級側的電流

　　該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因數。缺點是在雙倍線路頻率下，次級側的漣波電流很大，但對于LED照明而言，此并不足以擔憂，因為肉眼無法察覺高達100Hz的閃爍頻率。

　　在次級側，利用一個電路將輸出電流（用分流電阻測量）轉換成初級側調節器的回饋訊號，以獲得驅動LED的電流輸出。在這裡對平均輸出電流進行調節，是因為回饋迴路必須緩慢，以便在輸入端獲得好的功率因數。另一個優點是使用金屬箔電容作為輸入電容，其小尺寸符合縮小空間方面的要求，并顯著延長LED壽命。

　　LED燈的壽命也經由LED的亮度漂移決定，如歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors）的LED產品Golden Dragon Plus平均壽命為45，000小時（焊接條件下，溫度85℃，以0.7安培電流連續工作）。其可分成四階段，第一階段是能夠上下相對快速漂移的階段，接下來是反射器老化階段，然后是LED僅有一點漂移的較長階段，最后是燈壽命漂移真正終止的階段，在這個階段中，亮度持續降低。

　　LED的失效不會是突發式災難，但在到達額定壽命期時，其亮度會下降至70%。燈將隨時間的推移持續變暗。在某些應用中，這并不是問題，但對于其他一些有標準和規範要求亮度恆定的應用中，此種情況是不能被接受的。與使用高壓鈉燈的普通路燈相比，LED燈相對更加耐用，并具有更長的壽命。不過仍有進一步提升的可能性。為延長壽命，并減低設計對環境的影響，可使用亮度感測器來調節亮度，并在壽命期內獲得恆定的發光度。

　　圖5為用于高功率LED調光的次級側恆流控制電路的範例。為在不改變顏色情況下改變LED的亮度，使用脈寬調變方案，其在電路的輸入端加入一個方波訊號。當電壓高于1伏特時，調節器不作用，LED串內沒有電流流過；電壓很低時，IC的輸入節點會承擔分流電阻反映出的電壓，有效的接通電流控制，并使LED串在此種恆定電流下工作。這將產生恆流脈衝，緊接著是暫停，即無電流流過，如此將會在不改變顏色的情況下調節LED亮度。結合上面的PFC返馳式電路，重要的是對這種不會隨線路頻率產生可見節拍頻率的脈衝寬度調變（PWM）訊號使用一種調變頻率。

　　圖5 高功率LED調光的次級側恆流控制電路

　　製作亮度感測器的方法多元，如可使用光電晶體或光敏二極管，但皆需部分類比電路，以便使其訊號適用于調節；還有一種眾多商用亮度感測器均使用的標準化類比介面，其控制電壓範圍為010伏特。在雜訊較大的環境中，訊號也能隨電流迴路傳送，如以020毫安培電流工作，另外，在感測器或者感測器陣列與中央控制器相結合之處可使用數位介面來進行亮度調節，甚至達到備援作用，如可對部分出現故障的燈進行補償。此點尤其有利于不便更換燈的環境，如在半導體生產廠內。

　　利用這樣的中央控制器和燈，調節和接通操作不會對燈的壽命產生負面影響，尚能提供更多的功能，如根據用戶在場與否進行調節、環境光調節、遙控（透過電話或簡訊）開燈關燈等。

　　在早期，LED照明解決方案的輸出光度低，可靠性也較差，這些缺點阻礙其普及，然隨后這些問題逐漸被克服，LED照明解決方案獲得更廣泛的應用。現在，隨著控制電路和應用的不斷開發，LED的長效壽命特性開始大放異彩，它的生態環保優勢也被充分的顯現出來。