发光二极体(LEDs)及太阳能光伏电池技术发展快速，在效能上已有显著改善，这将带动终端应用产品的效能也得以大幅提升。就同​​时使用这两种技术的应用，例如太阳能供电的照明而言，由于结合了这两种核心技术的进展，因此终端应用产品的效能便可望获得实质改善。

在这个例子中，较高效率的太阳能电池可将更多的太阳能量转换成电力，因此可以降低太阳能电池所需要的面积数量，而且高效率的LED可以在夜里运行更长的时间及更为明亮。然而，对于太阳能照明解决方案的制造商而言，挑战在于能否很快地利用这些技术的进展，并且达到成本效率。

一个将系统效能极大化的方法就是透过它的电源转换策略来达成。严谨的电源转换策略能够促成快速的发展，并且能利用最新的技术来建置解决方案。在这篇文章中，我们将检视元件，发展出一套系统，并提供一种高阶方法来分析其行为。

背景

现今存在着各式各样太阳能供电的照明例子。不管你是身处在电网系统不稳定的地区，使用太阳能供电灯具来做为夜间的阅读灯；或是在已建置全功能、社区级街道照明系统的地区，这种结合着太阳能/LED照明系统的商机都是多样、广泛且全球性的。唯一的差异仅在于终端应用产品的规模而已（阅读用vs.一般照明之用，两者间有着相当不同的要求）。

所有的这些系统的核心元件皆包括： (1) 太阳能电池、(2) 电池，以及(3)LED。顺带一提，针对这些元件，我们可以采用广义方式描述每一个元件，其中包括能量收集器（太阳能）、能量储存器（电池），以及能量发射器 (LED) 。虽然不完全正确，但是它可以突显出这个分析的灵活性。图 1(a) 显示了最基本的系统配置。

图一 : 两种系统配置

为了实现这个方案，每一个元件的行为必须与其他每一个元件相容。在这个例子中，意谓太阳能电池输出电压/电流的行为必须配合电池的充电曲线，而电池放电曲线必须符合 LED 驱动的要求。我们很快地发现图 1(a)中 的配置并不一致。

元件概述

检视图2（从a到d）电压电流(VI)特性图中所发现到的每一个元件的效能特点，我们发现当它们在限定的配置组内时，它们所做出的行为便可能会彼此接近，然而事实上，这无法保证任何合理水准的效能。

我们很快看到最大的太阳能电池电压（每一颗电池芯）大约在1 伏特左右，而镍氢电池的运作范围则是在0.9 伏特到1.4 伏特， LED的顺向电压虽然一般是在3 伏特以上，但却需要定电流源。再者，镍氢电池有一些特定的充电要求来延长它的使用寿命。

虽然有可能开发一个能将所有这些元件直接相连在一起的系统，但我们得清楚了解配置内存在着明显的限制，以及对于整体系统效能及稳定性所造成的影响。

图二 : 组件的电压-电流特性曲线以及驱动的要求

为了说明这些限制性，让我们检视图1(b)中的替代系统图。在这三种核心元件彼此之间加入电力电子介面，将可以允许有着较高程度的弹性，并能最佳化整体效能。在这个配置中，微控制器并不重要。我们发现可以使用一个单独的电池充电器IC来解决镍氢电池充电曲线的需求，另外还发现可以使用LED驱动器IC来将电池电压转换成定电流源。

然而，这个配置至少有两个缺点。首先是弹性受到限制。选定的装置可能有着相当狭窄的工作范围，这将限制它们在系统中或面对客户要求时，对于变化的应变能力。例如，假如太阳能电池配置被改变时，则需要更换电池的充电IC。假如能量储存技术或配置被改变时，则电池充电IC及LED驱动器的IC两者皆可能需要更换。

最后，假如LED的类型或配置被改变，那么LED驱动器的IC也需要重新配置。标准的弹性将可以使系统在面对改变的需求时，可以更快速地应变，如此可跟上创新技术的步伐。将微控制器的包容性纳入系统中，将使得这样的解决方案更具有弹性，如此可以避免进行需大规模重新设计及重新认证的重大硬体变更，因为大部分的这些变更都可以在微控制器内完成。

第二个缺点则存在于系统最佳化元件方面。虽然我们可以找到一个通用型的电池充电IC，但是若要找到一个包含有最大峰值功率追踪（Maximum Peak Power Tracking；MPPT）的电池充电IC ，进一步将太阳能电池的输出予以极大化，则可能会有困难，而一个以离散为基础的解决方案，很难跟上创新的脚步。

建议的执行方案

为了解决客制化解决方案的限制性，微控制器能够让设计师利用每一个核心元件逐渐增加的效能，同时还能允许基本的架构可被重新使用。图3 展示了这个建议的执行方案。

图三 : 以微控制器单元为基础的建议架构

图3的执行方案有三种优势。首先，系统中的所有构面皆可快速且轻易地进行最佳化。在这个解决方案中有四种主要的系统：LED、电池、太阳能电池以及电力电子。正如前面提到的，电池的充电曲线应该受到控制，如此可以增加充电效率及它的使用寿命。

然而，整体的充电效率也取决于太阳能电池的效率。将最大峰值功率追踪(MPPT)功能配置纳入电源转换演算法之中，应该会增加太阳能转换至电能的电源转换整体效能，最终将可减少太阳能电池阵列的尺寸，且依然能达成充电目标。

这将影响产品的外型尺寸，而且这提供给设计师了一个可加强视觉吸引力的选择。同样地，在这个例子中，若目标应用产品是被做为阅读照明之用，则光线的品质或许会被确认为此一目标应用产品的重要特性。光线的品质可以归因于电流的波形，可能是驱使LED驱动电流有着较严格的公差，或是包含了调光能力。建议的执行方案允许设计工程师将所有一切予以最佳化，其中包括从元件效率至系统整体的可靠性及使用寿命。

第二，这个架构是完全可扩展的，而且可以在宽广的电源范围中运作。一个设计简洁、用于阅读的可携式灯具，其中可能包含单一的太阳能电池、现成可购得的可充电式镍氢电池，以及一些使用20到75毫安培驱动电流的LED。

这个设计仅需简单替换掉容易取得的电源MOSFET及变压器的动力传动元件，就可以快速地提升额定功率来满足商用及社区安全性照明的需求。太阳能电池的数目可以增加、现成可购得的镍氢电池可以更换成客制化电池组，以及可使用驱动电流超过350毫安培的高亮度及高电流LED。

最后，这个平台的弹性使其可以快速因应核心技术、客户需求或是行为的变化，不断发展的太阳能电池或是有着特定驱动需求的LED能被快速采用，进而推出新产品。随着这些产品被使用，客户端应用的回馈或许将驱使额外的、非核心的需求，例如通讯（像是串联到无线介面等），以及预防性诊断支援。所以这个解决方案不仅可以藉由调整适应条件的变化，同时可最佳化效能，当它需要维修时，也可以与相关维修及预防措施进行沟通。

结论

新兴技术的发展方向总是不确定的。将太阳能光伏及LED此两种新兴技术结合在一起， 加上以微控制器为基础的电源转换解决方案所提供的弹性，将能够快速落实这些进展以满足客户需求。