受益於 LED 電路保護和能源備援技術進展的緊急照明

LED 架構式緊急照明系統的市場已經非常成熟。 簡易型出口標示採用 LED 元件至今約有二十年，但在六年前才開始用於緊急照明系統。 白光 LED 的光效和色彩一致性有所改良且價格降低，因此促成此項改變。

隨著技術持續演進且價格銳減，LED 逐漸應用在越來越多種緊急照明系統。 此外，創新的設計結合先進的 LED 技術能為照明設計人員提供重要的競爭優勢。 適合備援運作的電池／能量儲存系統、電路保護裝置以及 LED 本身皆有所進展，能創造新的商機。

本文將回顧 LED 架構式緊急照明系統的最先進技術，並且著重於新開發的元件。 舉例而言，效率提升、更低操作溫度、更低功率以及更耐用的 LED 能提升可靠性並且降低維護成本。 典型元件包含 Osram 的 Golden Dragon Plus 和 Duris P5、Philips Lumileds 的 LUXEON® Z 以及 Seoul Semiconductor 的 STW8。

電路保護解決方案能讓關鍵安全應用的緊急照明增添安全性，特別適合有火災或爆炸風險的場所。 Bourns 的 LED 分流保護器 和 TE Connectivity 的 Polyswitch 電路保護器等元件都是常見的選擇。

還值得一提的是，電池技術近年來快速演進，並且趨向使用鋰離子材質，提供更小、更高電力的電池備援解決方案。 不過，在特定關鍵安全應用中，若沒有適當保護，都會有火災的風險。 超級電容在此時就是一種替代甚至是輔助方案。Eaton 的 PowerStor 系列已經應用在眾多應用中，包括緊急照明。

安全優先

人群聚集之處，無論是建築物內部或周圍、購物中心、地下停車場、飛機以及大眾運輸系統內，緊急照明都是不可或缺的要素。 有效的照明能夠確保快速、無恐慌的疏散，尤其是在發生火災時。 明亮、間隔距離適當的緊急出口標誌能指出最短逃生路線，在人群失去方向時非常重要。 一般來說，人們會嘗試從進入建築物時的路線逃生，但可能並不是最有效率的路徑。

舊型燈具預計依然會使用日光燈，但也逐漸由 LED 燈取代。 LED 模組取代傳統的 T8 日光燈管，成為最常見的改裝單元。 一般而言，LED 具備多種效率和成本優勢，促成其更加廣泛的用於許多緊急照明應用中。 主要照明系統採用 LED 技術進行升級或替代時，輔助緊急照明燈具也很有可能一併用 LED 取代。

LED 技術的優勢不斷增加，因此是吸引人的選擇。 LED 燈的長壽命和可靠性非常適合緊急系統，能減少維修頻率並降低維護費用。 LED 不含鉛和汞，更加環保。 LED 在本質上較安全，因此適合用於採礦、石油探勘以及等其他有爆炸風險的環境。 LED 不含玻璃成分，因此更耐用，也更能耐受衝擊和振動，安裝於公共區域時，比較不容易受損。

相較於傳統照明技術，LED 的操作功率通常較低，因此適合在主電源失效時，成為用備援電池或緊急發電機供電的照明系統。

LED 燈在本質上屬於點光源，因此能在必要時輕鬆控制聚光點；此外也具有高光效，能進一步降低能量使用量。 英國緊急照明產業委員會 (ICEL)¹指出，用最簡單的配置，也就是兩個 1 W LED、典型 60o 光束加上驅動器、逆變器以及一個 3.6 V 電池，以建議的間隔距離以及離地 3 m 高度安裝後，便能達到國際標準所規定的地面亮度。

美觀大方

LED 的額外優勢在於提供多種尺寸，並可結合建築照明和緊急照明，特別適合大規模照明場景。 泛光燈能夠打造成幾乎任何尺寸或形狀，然後輕鬆納入既有建築體的結構和材料中。 燈串尤其適合用於樓梯和走廊，其他的模組也可以嵌入安裝於地板和牆面，或著改裝到既有的結構中。 將緊急照明隱匿或將其融合在建築中增添美觀的能力，能為照明系統設計人員和客戶提供更多靈活性。

Osram Semiconductor² 的個案研究即闡明此領域所能達到的效果。 德國慕尼黑卡爾廣場地鐵站 (U-bahn/S-Bahn) 入口處的樓梯，礙於結構因素，僅能在扶手上添加照明，總長度為 700 公尺。 這些照明也能作為緊急照明，在停電時由電池供電。 該裝置採用 Osram LED，由於具有低功耗，因此每 18 公尺的扶手照明僅需 100 W。

圖 1：慕尼黑卡爾廣場的 S-Bahn 和 U-Bahn 地下運輸網路入口區域，圖中的 LED 發光扶手也能在電力失效時作為樓梯的緊急照明。

緊急照明系統所需的 LED 類型和規格主要視個別應用而定。 不過，有些共同特點是較常用的，如低功率、低溫運作、高照明效率。 典型需求包括，冷白光 LED的色溫介於 3000 至 6500 K，CRI 為 80 以上，光效約為 75 至 100 lm/W。

其他需考量的特點視應用而定，包含小型尺寸、耐用和堅固的外罩、方便打造燈串或其他形狀的簡便和彈性模組設計，以及由備援電池或其他臨時電源運作的能力。

標誌燈

Osram Opto Semiconductor 的 Duris P5 系列 LED 非常適合用於緊急照明應用。 中白光 (4000 K) 元件 GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1 的高光效、中功率和長壽命效能能滿足緊急標誌燈的需求，例如用於階梯和出口路線。 此元件在 100 mA 時典型光通量為 29 lm，光效為 96 lm/W，CRI 為 80，採用無引線 SMD-2 封裝。 典型順向電壓為 3.02 V、最大順向電流為 250 mA，視角為 130o。 Duris P5 系列涵蓋較暖 (3000 K) 和較冷 (5000 K) 色溫的光輸出元件，其規格類似 4000 K 型號。

針對需要更高光效的應用（僅管會有更高功耗），Osram 在 Golden Dragon Plus 系列中提供 LUW W5AM 產品組合。 此元件典型的光通量在 350 mA 時為 116 lm，在 1 A 時高達 273 lm，專為緊急照明系統的標誌燈所設計，能在超薄封裝中提供高效率光源。 光效在 100 mA 時為 146 lm/W，最大順向電流為 1 A，典型順向電壓為 3.2 V，熱阻為 6.5 K/W。

圖 2：Osram 的高效率 Golden Dragon Plus LED，適用於標誌照明應用。

Philips Lumileds 也提供相似效能的元件。 LUXEON Z 4070 的色溫高達 4000 K，CRI 為 70。 500 mA 時，典型光通量為 138 lm。 典型效率為 95 lm/W。 規格書也列出的一項實用的參數，即元件尺寸相對於光輸出，其中階 LED 可達 63 lm/mm²。 提供非密封式元件，適合納入燈串或模組中。

圖 3：Philips LumiLEDs 的 LUXEON Z LED 採用 2.2 mm² 小型覆蓋區。

Seoul Semiconductor 在其豐富的 Acrich 系列單件 LED 和多重 LED 模組中提供多種偏冷白光頻譜的零件。 6500 K STW8Q14BE 屬於單件 LED 系列的其中一例，目標應用包括一般、內部以及建築照明。 此 LED 封入矽膠中並且組裝於耐熱的熱塑性塑膠主體中，具備 ESD 防護。 電氣規格包含 3.2 V 順向電壓（典型值）、160 mA 順向電流（最大值）、35 lm 發光強度（3700 至 7000 K）、CRI 為 80（最小值）以及 18°C/W 熱阻。

電路保護

有些預先組裝的 LED 架構式緊急照明模組會提供相關電路，能自動切換主電源和備援電源，並可安裝額外的 LED 分流保護元件，有助於提升耐用性和可靠性。 額外的保護有助於降低維修和替換 LED 燈的成本，特別是在使用多重串聯 LED 長燈串時，有可能由極高電壓恆定電流的電源供應器驅動。

配置多重 LED 燈串有不少的優點。 更簡易的電源供應器設計是主要優勢，高電壓、低電流電源供應器也能提升電源供應器本身的效率。 可擴充性、模組性、尺寸彈性皆是選擇 LED 燈串而非其他照明技術的重要影響因素。 不過，缺點在於 LED 燈串上若有一個開路 LED，就會關閉該燈串上的所有元件。 LED 有可能因為高溫、靜電放電 (ESD)、過壓或過電流事件而故障。

低功率 LED 燈串可輕鬆透過齊納二極體獲得保護。 針對高功率的應用（工作電流高於 75 mA），建議使用 LED 分流保護元件，在運作模式下耗散的功率也會比開路 LED 少。 這些閘流管架構元件會在無法運作的 LED 旁邊進行分流，形成橋式電路，確保燈串中功能正常的二極體能繼續發光。

Bourns 是 LED 分流保護元件的領導供應商。 其 LSP0600BJR-S 能在 6 V 下操作。為了達到最大保護效果，設計人員必須在每一個 LED 上使用一個元件。 如果要降低成本，此系列亦提供具有 9、13 以及 18 V 保護能力的零件，分別可用來隔離由二、三或四個 LED 所組成的燈組。

Bourns 針對與恆定電流電源順應電壓有關的電源供應器問題製作實用的白皮書³進行說明。 提供電路和設計範例，針對含有Bourns LSP 系列元件的特定故障情況，指出電源供應器的要求。 此外亦含有 LED 燈串適合的電源供應器架構指引。

過電流保護

TE Connectivity 的 Raychem 電路保護產品的主要功能是保護 LED 燈具和緊急照明電池，以免遭受過電流和熱損害。 該公司指出，LED 的壽命比其取代的其他照明技術更長，但會受一些因素影響，包含接面溫度、工作電壓以及工作電流。

可復位式聚合物正溫度係數 (PPTC) 元件，如 TE 的耐用型 PolySwitch 和 PolyZen 系列就展現有效的 LED 電路保護功能。 典型應用包含針對電源線耦合暫態和突波的電源輸入防護、LED 驅動器電路輸出防護以及 LED ESD 防護。 在故障排除且電源重啟後，元件會自行重置，因此在高可靠性的緊急照明配置中特別有效。

圖 4：豐富的 PolySwitch 可復位式元件產品，用於保護 LED 緊急照明電路。

根據製造商的說明，多數 LED 應用皆採用電源轉換和控制元件介接電源，藉此控制 LED 驅動器的電源耗散。 PolySwitch 系列等可復位式 PPTC 元件的用途便是保護這些介面免於過電流和過熱損害。

在一般操作下，保險絲具有低電阻值。 發生過電流時，元件會跳脫至高電阻狀態。 這可針對能在故障情況下流動的電流量降低至較低且穩態的位準，有助於保護電路中的設備。 此元件會維持在閂鎖位置，直到故障排除。 電路的電源恢復後，元件會重置，電流會繼續流動且電路恢復到正常運作。 詳細資訊和電路圖位於之前的 DigiKey TechZone 文章。⁴

許多 LED 驅動器 IC 的 DC 輸入皆須受到保護，為二極體提供穩定電流。 PolySwitch 元件與 LED 驅動器 IC 串聯，並且具有並聯的電壓限制元件，如齊納或暫態抑制二極體，有助於提供有效的保護。 PolySwitch 元件提供多種尺寸，包含適用於最精巧應用的小型 1608 封裝元件，能節省板空間和成本。 設計人員可以選擇介於 50 mA 至 3 A 的額定電流和 6 至 60 V 的額定電壓。

保護 IC 的典型元件如 6 V nanoSMDC150F，具有 1.5 A 的保持電流、3 A 的額定跳脫以及 100 A 的最大電流，跳脫時間為 0.3 s。

備援電源

超級電容在特定應用中越來越常當作備援電源，尤其是在採用鋰離子電池的關鍵安全系統，其火災風險。 相較於電池，超級電容能提供十倍以上的電力和超過一千次以上的循環壽命。 其能量密度比傳統電解電容還高三個數量級。

並能順利串接傳統電池備援技術，提升此類系統的效能和壽命。 緊急照明應用值得注意的一項優勢便是適合用於保持和橋式電源系統，能在主電源失效時確保穩定電源。 超級電容比電池還環保，有助於設計人員減少電池的需求並延長電池續航力。

Eaton 是超級電容領域的佼佼者。 其 XB 和 XV 系列圓柱形元件提供 300 至 400 F 電容值，工作電壓分別為 2.5 V 和 2.7 V。 這些元件採用超低 ESR 達到高功率密度，在需要峰值電流時能確保最低壓降。 因此特別適合 UPS 和備援電源系統以及緊急照明配置。

PowerStor XB3550 是 XB 系列中的典型元件，能在 2.5 V 時提供 300 F 的電容量。PowerStor XB3560 超級電容則是 XV 系列的頂尖產品，在 2.7 V 時提供 400 F 電容量。

圖 5：Eaton 的 PowerStor 超級電容適用於多種安全和工業應用的的備援和電源橋接功能。

總結

緊急照明系統儘管不是重點應用，但透過技術的進展，不僅在 LED 本身，在全面重要性電路保護和電池備援功能的輔助子系統上也有所獲益。 緊急照明設計人員因此能針對此領域的產品項目進行改造並達到差異化，適用於全新配置以及改裝單元。

參考資料：

1. 緊急照明產業委員會 (ICEL)
2. Osram Semiconductor 個案研究：慕尼黑卡爾廣場照明
3. Bourns 白皮書：新型開路 LED 分流保護元件
4. LED 照明的協同電路保護