發光二極體(LEDs)及太陽能光伏電池技術發展快速，在效能上已有顯著改善，這將帶動終端應用產品的效能也得以大幅提升。就同時使用這兩種技術的應用，例如太陽能供電的照明而言，由於結合了這兩種核心技術的進展，因此終端應用產品的效能便可望獲得實質改善。

在這個例子中，較高效率的太陽能電池可將更多的太陽能量轉換成電力，因此可以降低太陽能電池所需要的面積數量，而且高效率的LED可以在夜裡運行更長的時間及更為明亮。然而，對於太陽能照明解決方案的製造商而言，挑戰在於能否很快地利用這些技術的進展，並且達到成本效率。

一個將系統效能極大化的方法就是透過它的電源轉換策略來達成。嚴謹的電源轉換策略能夠促成快速的發展，並且能利用最新的技術來建置解決方案。在這篇文章中，我們將檢視元件，發展出一套系統，並提供一種高階方法來分析其行為。

背景

現今存在著各式各樣太陽能供電的照明例子。不管你是身處在電網系統不穩定的地區，使用太陽能供電燈具來做為夜間的閱讀燈；或是在已建置全功能、社區級街道照明系統的地區，這種結合著太陽能/LED照明系統的商機都是多樣、廣泛且全球性的。唯一的差異僅在於終端應用產品的規模而已（閱讀用vs.一般照明之用，兩者間有著相當不同的要求）。

所有的這些系統的核心元件皆包括： (1) 太陽能電池、(2) 電池，以及(3)LED。順帶一提，針對這些元件，我們可以採用廣義方式描述每一個元件，其中包括能量收集器（太陽能）、能量儲存器（電池），以及能量發射器 (LED) 。雖然不完全正確，但是它可以突顯出這個分析的靈活性。圖 1(a) 顯示了最基本的系統配置。

圖一 : 　兩種系統配置

為了實現這個方案，每一個元件的行為必須與其他每一個元件相容。在這個例子中，意謂太陽能電池輸出電壓/電流的行為必須配合電池的充電曲線，而電池放電曲線必須符合 LED 驅動的要求。我們很快地發現圖 1(a)中 的配置並不一致。

元件概述

檢視圖2（從a到d）電壓電流(V-I)特性圖中所發現到的每一個元件的效能特點，我們發現當它們在限定的配置組內時，它們所做出的行為便可能會彼此接近，然而事實上，這無法保證任何合理水準的效能。

我們很快看到最大的太陽能電池電壓（每一顆電池芯）大約在 1 伏特左右，而鎳氫電池的運作範圍則是在 0.9 伏特到 1.4 伏特， LED的順向電壓雖然一般是在 3 伏特以上，但卻需要定電流源。再者，鎳氫電池有一些特定的充電要求來延長它的使用壽命。

雖然有可能開發一個能將所有這些元件直接相連在一起的系統，但我們得清楚瞭解配置內存在著明顯的限制，以及對於整體系統效能及穩定性所造成的影響。

圖二 : 　元件的電壓-電流特性曲線以及驅動的要求

為了說明這些限制性，讓我們檢視圖1(b)中的替代系統圖。在這三種核心元件彼此之間加入電力電子介面，將可以允許有著較高程度的彈性，並能最佳化整體效能。在這個配置中，微控制器並不重要。我們發現可以使用一個單獨的電池充電器IC來解決鎳氫電池充電曲線的需求，另外還發現可以使用LED驅動器IC來將電池電壓轉換成定電流源。

然而，這個配置至少有兩個缺點。首先是彈性受到限制。選定的裝置可能有著相當狹窄的工作範圍，這將限制它們在系統中或面對客戶要求時，對於變化的應變能力。例如，假如太陽能電池配置被改變時，則需要更換電池的充電IC。假如能量儲存技術或配置被改變時，則電池充電IC及LED驅動器的IC兩者皆可能需要更換。

最後，假如LED的類型或配置被改變，那麼LED驅動器的IC也需要重新配置。標準的彈性將可以使系統在面對改變的需求時，可以更快速地應變，如此可跟上創新技術的步伐。將微控制器的包容性納入系統中，將使得這樣的解決方案更具有彈性，如此可以避免進行需大規模重新設計及重新認證的重大硬體變更，因為大部分的這些變更都可以在微控制器內完成。

第二個缺點則存在於系統最佳化元件方面。雖然我們可以找到一個通用型的電池充電 IC，但是若要找到一個包含有最大峰值功率追蹤（Maximum Peak Power Tracking；MPPT）的電池充電 IC ，進一步將太陽能電池的輸出予以極大化，則可能會有困難，而一個以離散為基礎的解決方案，很難跟上創新的腳步。

建議的執行方案

為了解決客製化解決方案的限制性，微控制器能夠讓設計師利用每一個核心元件逐漸增加的效能，同時還能允許基本的架構可被重新使用。圖3 展示了這個建議的執行方案。

圖三 : 　以微控制器單元為基礎的建議架構

圖3的執行方案有三種優勢。首先，系統中的所有構面皆可快速且輕易地進行最佳化。在這個解決方案中有四種主要的系統：LED、電池、太陽能電池以及電力電子。正如前面提到的，電池的充電曲線應該受到控制，如此可以增加充電效率及它的使用壽命。

然而，整體的充電效率也取決於太陽能電池的效率。將最大峰值功率追蹤(MPPT)功能配置納入電源轉換演算法之中，應該會增加太陽能轉換至電能的電源轉換整體效能，最終將可減少太陽能電池陣列的尺寸，且依然能達成充電目標。

這將影響產品的外型尺寸，而且這提供給設計師了一個可加強視覺吸引力的選擇。同樣地，在這個例子中，若目標應用產品是被做為閱讀照明之用，則光線的品質或許會被確認為此一目標應用產品的重要特性。光線的品質可以歸因於電流的波形，可能是驅使LED驅動電流有著較嚴格的公差，或是包含了調光能力。建議的執行方案允許設計工程師將所有一切予以最佳化，其中包括從元件效率至系統整體的可靠性及使用壽命。

第二，這個架構是完全可擴展的，而且可以在寬廣的電源範圍中運作。一個設計簡潔、用於閱讀的可攜式燈具，其中可能包含單一的太陽能電池、現成可購得的可充電式鎳氫電池，以及一些使用20到75毫安培驅動電流的LED。

這個設計僅需簡單替換掉容易取得的電源MOSFET及變壓器的動力傳動元件，就可以快速地提升額定功率來滿足商用及社區安全性照明的需求。太陽能電池的數目可以增加、現成可購得的鎳氫電池可以更換成客製化電池組，以及可使用驅動電流超過350毫安培的高亮度及高電流LED。

最後，這個平台的彈性使其可以快速因應核心技術、客戶需求或是行為的變化，不斷發展的太陽能電池或是有著特定驅動需求的LED能被快速採用，進而推出新產品。隨著這些產品被使用，客戶端應用的回饋或許將驅使額外的、非核心的需求，例如通訊（像是串聯到無線介面等），以及預防性診斷支援。所以這個解決方案不僅可以藉由調整適應條件的變化，同時可最佳化效能，當它需要維修時，也可以與相關維修及預防措施進行溝通。

結論

新興技術的發展方向總是不確定的。將太陽能光伏及LED此兩種新興技術結合在一起， 加上以微控制器為基礎的電源轉換解決方案所提供的彈性，將能夠快速落實這些進展以滿足客戶需求。