驅(qū)動(dòng)和調(diào)光技術(shù)有突破 LED應(yīng)用漸熱 - 全文

　　LED照明應(yīng)用市場可望快速壯大。受惠于LED照明驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)持續(xù)翻新，以及加入微控制器進(jìn)行調(diào)光控制，LED照明裝置成本不僅持續(xù)降低，亦加快取代傳統(tǒng)白熾燈，進(jìn)而擴(kuò)大應(yīng)用范疇。

　　發(fā)光二極體（LED）照明市場前景可期。LED照明系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)IC和系統(tǒng)控制電路上有新的突破后，再加上調(diào)光技術(shù)的輔助，不僅LED照明系統(tǒng)成本不斷續(xù)降，市場接受度也不斷提升，讓LED照明市場發(fā)展更現(xiàn)曙光。

　　圖1 NPD DisplaySearch***分公司分析師佘慶威表示，LED照明相關(guān)發(fā)展業(yè)者要能獲得較大的利潤空間，應(yīng)致力研發(fā)特殊應(yīng)用LED燈具。

　　NPD DisplaySearch***分公司分析師佘慶威（圖1）表示，即使目前LED背光仍占LED總應(yīng)用市場的最大宗，但LED照明的成長速度亦不容小覷。根據(jù)NPD DisplaySearch預(yù)估，2013年LED照明市場的總產(chǎn)值將較2012年高出一倍；而2014年LED照明的需求量將與背光相當(dāng)，2015年則可正式超越背光，成為LED應(yīng)用市場主流（圖2），并創(chuàng)造可觀的商機(jī)。

　　值得注意的是，由于LED照明應(yīng)用市場龐大可期，吸引眾多LED相關(guān)業(yè)者競逐，以至于僧多粥少，業(yè)者的獲利仍有限。佘慶威認(rèn)為，現(xiàn)階段LED照明市場的發(fā)展策略為取代傳統(tǒng)燈具，落實(shí)節(jié)能環(huán)保的趨勢，然而，LED照明與傳統(tǒng)燈具的發(fā)展脈絡(luò)大相逕庭，不僅在產(chǎn)品更新速度上有所差異，成本也具備相當(dāng)?shù)穆洳睿瑢?dǎo)致LED照明取代傳統(tǒng)燈具的步調(diào)不快，市場成長也無法滿足所有LED照明相關(guān)廠商的投資。

　　圖2 2012～2016年LED背光與照明應(yīng)用對LED的需求量分析　資料來源：NPD DisplaySearch（07/2013）

　　擴(kuò)大LED照明市場版圖　成本/調(diào)光技術(shù)為關(guān)鍵

　　雖然LED照明市場商機(jī)誘人，但如何突破現(xiàn)狀，讓LED照明加快取代傳統(tǒng)照明，降低成本與增添調(diào)光技術(shù)將是重點(diǎn)。佘慶威分析，LED發(fā)光效率逐年提升，對LED大舉進(jìn)入照明市場已不是阻礙，反而是LED照明成本如何從現(xiàn)在的10～25美元，再縮短與傳統(tǒng)白熾燈的價(jià)差，以及增加LED照明系統(tǒng)的附加價(jià)值，如整合調(diào)光技術(shù)，LED照明的市場規(guī)模才足以養(yǎng)活所有的業(yè)者。

　　另一方面，未來LED照明相關(guān)業(yè)者若專注非替換白熾燈的特定應(yīng)用市場，如臺(tái)燈、天花板嵌燈與平板燈等，將有更好的獲利空間，亦更有機(jī)會(huì)大顯身手。佘慶威指出，從LED照明各種應(yīng)用來看，目前燈管、球泡燈與路燈的市場需求較大（圖3）；天花板嵌燈則由于是用于新建房屋，現(xiàn)有舊屋舍若要導(dǎo)入須改變裝潢與電線電路，因此市場仍有限，但預(yù)估2015～2016年，天花板嵌燈及平板燈結(jié)合調(diào)光技術(shù)與居家主電力系統(tǒng)后，將成為LED晶粒需求最大宗應(yīng)用，并創(chuàng)造二十億美元以上的商機(jī)。

　　圖3 2012～2016年各類燈具對LED需求量分析　資料來源：NPD DisplaySearch（07/2013）

　　圖4 立錡資深經(jīng)理廖光彬分析，多串式線性電路須額外增加EMI電容，才可順利通過EMI測試。

　　線性架構(gòu)有效抑制電流紋波

　　LED照明系統(tǒng)中，占總成本較大且設(shè)計(jì)時(shí)間花費(fèi)較長的即為驅(qū)動(dòng)電路，其中，電流紋波（Current Ripple）的消除將影響驅(qū)動(dòng)電路的效能，甚至牽動(dòng)整體成本，因此設(shè)計(jì)工程師須采用合宜的驅(qū)動(dòng)電路，才可避免電流紋波造成的設(shè)計(jì)困擾。立錡資深經(jīng)理廖光彬（圖4）表示，LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，采用越高功率電流濾波器（Power Filter）將造成電流紋波，若要消除電流紋波，可采用較低功率的電流濾波器，但驅(qū)動(dòng)電路效能相對將降低，或是采用隔離式或非隔離式雙級（Two Stage）設(shè)計(jì)，不過成本也稍高。值得注意的是，若工程師采用現(xiàn)下主流的隔離或非隔離電路，則須注意非隔離式的產(chǎn)品在安規(guī)認(rèn)證有較大的問題，而采用隔離電路則設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

　　事實(shí)上，若只考量成本，阻容降壓線路是現(xiàn)有LED照明驅(qū)動(dòng)電路中最具成本效益的設(shè)計(jì)。廖光彬指出，雖然阻容降壓線路具備設(shè)計(jì)簡單、所需元件少、低成本、高效率與無電磁干擾（EMI）等優(yōu)點(diǎn)，但阻容降壓電路架構(gòu)非常容易受到市電、頻率及電容誤差所影響（圖5），以至于量產(chǎn)精準(zhǔn)度差。另外，阻容降壓線路較大的輸出電流漣波，易有市電兩倍頻光干擾的現(xiàn)象，也容易造成LED壽命縮短。更重要的是，阻容降壓線路電路可靠度低，無任何保護(hù)功能。

　　圖5 阻容降壓電路電流紋波測試狀況　資料來源：立錡（07/2013）

　　因此目前僅中國大陸LED燈具制造商，以及強(qiáng)打超低價(jià)的LED燈泡開發(fā)商，才會(huì)采用阻容降壓線路。為解決阻容電壓電路的缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧成本，LED照明驅(qū)動(dòng)IC研發(fā)業(yè)者提出單串式線性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，然而單串式線性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)最大問題在電源效率與輸入電壓成反比，換句話說，輸入電壓太高易造成驅(qū)動(dòng)IC過熱損壞。此外，單串式線性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)無法增加調(diào)光功能。

　　有鑒于此，多串式線性驅(qū)動(dòng)方案逐漸受到重視。廖光彬指出，多串式線性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)毋須采用電阻與電容，電路設(shè)計(jì)簡單，并可藉由增加LED數(shù)目，延伸輸入電壓范圍，惟LED串分布須加以考量，以免造成照明系統(tǒng)發(fā)光均勻度不佳的問題。

　　圖6 達(dá)鑫電子市場行銷部產(chǎn)品行銷專案經(jīng)理張君源指出，LED照明線性驅(qū)動(dòng)電路將成為繼隔離與非隔離電路之后，備受矚目的技術(shù)。

　　達(dá)鑫電子市場行銷部產(chǎn)品行銷專案經(jīng)理張君源（圖6）強(qiáng)調(diào)，無論單串或多串式線性驅(qū)動(dòng)架構(gòu)均仍有缺點(diǎn)，但線性架構(gòu)具備體積小、生產(chǎn)成本低及高性價(jià)比等特性，因此在現(xiàn)有的隔離與非隔離驅(qū)動(dòng)架構(gòu)之外，已逐漸受到LED照明市場矚目。

　　舉例來說，LED球泡燈與燈管體積越做越小，但驅(qū)動(dòng)電路所需元件相當(dāng)固定，再微縮實(shí)有困難，然而采用線性架構(gòu)將可達(dá)到LED晶粒與驅(qū)動(dòng)電路光電一體化的目標(biāo)，不僅可縮小驅(qū)動(dòng)電路體積，也可大幅降低成本。

　　張君源認(rèn)為，除上述優(yōu)點(diǎn)外，線性驅(qū)動(dòng)還有設(shè)計(jì)簡單、無EMI的優(yōu)勢，至于線性驅(qū)動(dòng)電路較大的閃爍問題，也可利用涂布稀土螢光粉解決，提升LED球泡燈或燈管的發(fā)光均勻度。由于線性架構(gòu)擁有許多優(yōu)勢，未來該設(shè)計(jì)在市場的接受度將快速提升。

　　解決互通性問題　智慧調(diào)光規(guī)范相繼登場

　　圖7 英飛凌電源管理及多元電子事業(yè)處資深產(chǎn)品經(jīng)理張文貴表示，LED照明系統(tǒng)加入調(diào)光功能，可提升附加價(jià)值。

　　在LED照明驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)不斷推陳出新的同時(shí)，提高附加價(jià)值亦成為LED照明相關(guān)業(yè)者發(fā)展重點(diǎn)。英飛凌（Infineon）電源管理及多元電子事業(yè)處資深產(chǎn)品經(jīng)理張文貴（圖7）表示，LED照明增添調(diào)光功能的最大目的為省電，但是若LED照明增加調(diào)光功能，甚至增加調(diào)光階段，將可為LED照明系統(tǒng)業(yè)者帶來更多利潤。

　　LED燈具調(diào)光的基本原理之一為電流改變，LED色溫也會(huì)改變，即可讓人眼感覺亮度的變化，不過，業(yè)者須注意人眼在低亮度狀態(tài)下，對光的變化量會(huì)變得相當(dāng)敏感，因此低亮度的調(diào)光設(shè)計(jì)模式，須避免LED出現(xiàn)閃爍，造成使用者經(jīng)驗(yàn)不佳。張文貴指出，除了色溫的變化外，脈沖寬度調(diào)變（PWM）亦為LED燈調(diào)光的方式之一。事實(shí)上，無論采用何種調(diào)光方式，LED燈具調(diào)光技術(shù)對業(yè)者而言已不是問題，最大的挑戰(zhàn)在于不同業(yè)者推出的調(diào)光器與LED燈具間的互通性。

　　為解決互通性問題，國際標(biāo)準(zhǔn)組織如能源之星（Energy Star）、加州能源局（California Energy Commission）、Zhaga已推出相關(guān)規(guī)范，最新的規(guī)范為NEMA SSL-7。張文貴表示，NEMA SSL-7結(jié)合使用者需求和LED燈具制造商針對調(diào)光器與燈具間的互通性要求，并結(jié)合能源之星、Zhaga與加州能源局的相關(guān)規(guī)范而來，目前解決相容性問題的NEMA SSL-7 Part A測試規(guī)范已底定，業(yè)者已可針對此部分研發(fā)調(diào)光器與燈具。

　　此外，能源之星的LED調(diào)光規(guī)范也將于2014年9月1日正式實(shí)施，規(guī)定LED燈具業(yè)者的裝置須與至少五家以上的調(diào)光器業(yè)者產(chǎn)品進(jìn)行相容性測試，如此一來，LED燈具業(yè)者開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，將可確保產(chǎn)品可與更多調(diào)光器搭配使用，提高消費(fèi)者采用意愿。
驅(qū)動(dòng)電路整合MCUe#

　　驅(qū)動(dòng)電路整合MCU　LED照明降價(jià)空間大增

　　圖8 愛特梅爾行銷總監(jiān)Tushar Dhayagude認(rèn)為，LED照明驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)入微控制器，將可進(jìn)一步節(jié)省成本。

　　LED照明成本要再往下降，提升驅(qū)動(dòng)電路效率將是較佳的方式。愛特梅爾（Atmel）行銷總監(jiān)Tushar Dhayagude（圖8）表示，不同LED照明應(yīng)用有不同的電壓需求，因此驅(qū)動(dòng)IC須有多元的設(shè)計(jì)，才能滿足市場需求，甚至進(jìn)一步降低總體系統(tǒng)成本。不僅如此，因應(yīng)LED照明系統(tǒng)邁向智慧化發(fā)展，LED照明驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)亦可加入以控制見長的微控制器，負(fù)責(zé)調(diào)光、無線通訊與其他控制功能如控制驅(qū)動(dòng)IC，以提升系統(tǒng)效能，并簡化設(shè)計(jì)，加速產(chǎn)品上市。

　　據(jù)了解，目前多數(shù)LED照明系統(tǒng)業(yè)者皆欲以無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)光功能。Dhayagude認(rèn)為，ZigBee、藍(lán)牙（Bluetooth）與無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）皆可做為LED照明系統(tǒng)智慧調(diào)光的射頻技術(shù)，不過尤以ZigBee更為合適，原因在于LED照明系統(tǒng)須有較多的控制節(jié)點(diǎn)，而ZigBee可布建網(wǎng)狀網(wǎng)路的特性，遂成為LED照明系統(tǒng)開發(fā)業(yè)者的首選。

　　無論使用何種無線射頻技術(shù)，LED照明驅(qū)動(dòng)電路中勢必須增加無線射頻技術(shù)相關(guān)元件，若采用整合無線射頻技術(shù)收發(fā)器的微控制器，將可進(jìn)一步節(jié)省成本（圖9）。

　　圖9 LED驅(qū)動(dòng)器整合趨勢　資料來源：愛特梅爾（07/2013）

　　圖10 意法半導(dǎo)體行銷經(jīng)理吳玉君指出，該公司針對LED照明智慧調(diào)光功能，已推出一系列高整合與低成本微控制器產(chǎn)品。

　　意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics） 行銷經(jīng)理吳玉君（圖10）表示，加入微控制器不僅可簡化LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，也可省去額外的零組件，如金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET），還可與其他競爭對手做出市場區(qū)隔。

　　吳玉君強(qiáng)調(diào)，透過有線或無線技術(shù)進(jìn)行調(diào)光控制已成大勢所趨，微控制器將扮演重要角色，利用高整合度8位元微控制器的通用異步收發(fā)器（UART）及介面即可連結(jié)ZigBee、電力線通訊（PLC）或藍(lán)牙等通訊技術(shù)，打造LED智慧調(diào)光照明系統(tǒng)。

　　值得注意的是，工程師若采用整合LLC與功率因數(shù)校正（PFC）控制電路的微控制器，即可毋須導(dǎo)入較大功率的驅(qū)動(dòng)IC，亦可進(jìn)一步節(jié)省成本。

　　由上述可知，在驅(qū)動(dòng)IC與微控制器業(yè)者的努力下，LED照明驅(qū)動(dòng)電路的成本已逐漸下探，再加上燈具業(yè)者積極加入智慧調(diào)光功能，以及互通性標(biāo)準(zhǔn)的推展，LED照明系統(tǒng)的市場接受度將逐漸提高，可望創(chuàng)造更龐大的市場商機(jī)。