如何增加LED照明系統(tǒng)可靠性

為打造兼具節(jié)能、高效的智慧照明系統(tǒng)，利用MCU與可調(diào)光驅(qū)動器進行環(huán)境感測、高效能調(diào)光已是現(xiàn)今LED照明系統(tǒng)盛行的設(shè)計趨勢;除此之外，光學與散熱的模擬亦是確保LED產(chǎn)品的可靠性和安全性不可或缺的開發(fā)環(huán)節(jié)。

電路設(shè)計與系統(tǒng)模擬是實現(xiàn)發(fā)光二極體(LED)智慧型照明系統(tǒng)的兩大成敗關(guān)鍵，其中在電路設(shè)計方面若加入微控制器(MCU)，不僅可全天候監(jiān)控LED裝置并即時回報異常狀況，還能對照明設(shè)備進行群組控制以調(diào)節(jié)能源，使照明系統(tǒng)更具智慧化;而為加強LED光源穩(wěn)定度，將可調(diào)光驅(qū)動器導入電路設(shè)計中，則可解決光源閃爍的問題，并提升能源使用效率。

另一方面，透過光學與散熱的模擬過程來驗證產(chǎn)品可行性更是至關(guān)重要，此舉不僅可確保產(chǎn)品安全性，在模擬過程中，更可加速產(chǎn)品的開發(fā)時程，提升市場競爭力。

實現(xiàn)智慧照明系統(tǒng) MCU角色吃重

隨LED的使用日趨普及，應(yīng)用也越來越多元，其中智慧照明系統(tǒng)的商機更受到業(yè)界期待。為打造LED智慧照明系統(tǒng)，導入MCU可實現(xiàn)亮度自動調(diào)整、顏色自動變換、環(huán)境感測，以及群組系統(tǒng)控制等功能，豐富LED照明的應(yīng)用性，并提高能源使用效率。

英飛凌資深應(yīng)用工程師朱淡森表示，MCU可讓LED燈具實現(xiàn)智慧照明系統(tǒng)，充分提高能源使用效率與豐富LED多元應(yīng)用。

過往LED燈具缺乏控制與變化，即使LED已比傳統(tǒng)鹵素燈、白熾燈更為耐用，但在長時間使用下，LED的光輸出仍會受到老化與溫度影響而衰退，導致燈具裝置內(nèi)的電容易損毀，使可靠性大幅降低，且無法調(diào)光的缺陷也造成能源使用效率不彰，綜合以上因素終致LED使用壽命縮短，同時應(yīng)用方面，也會因燈光無法變化顯得較單調(diào)乏味。

為達到調(diào)光控制、顏色變換與高效率使用能源等目標，將LED燈具導入MCU可使室內(nèi)照明、戶外照明、裝飾照明，以及應(yīng)急照明有更多的應(yīng)用變化，例如控制LED燈在一天中，依照每個不同時段調(diào)整亮度以節(jié)約能源，或者透過MCU中的數(shù)位可定址照明介面(DALI)進行遠端群組控制，以及隨時監(jiān)控LED裝置是否仍正常運作，以利通知工程人員快速維修，這些新的應(yīng)用都讓LED燈不再僅只是開與關(guān)而已，還能有更靈活的運用。

據(jù)了解，英飛凌為搶占LED智慧照明市場版圖，分別推出XC835與XC836兩款MCU,此兩款MCU除接腳數(shù)與尺寸不同外，最大的差異在于XC836有支援DALI，能為LED燈具做智慧系統(tǒng)的遠端操控，而XC835則未支援。此外，兩款皆可支援觸控式控制，并且都具備高耐熱(150℃)與高可靠度等特性。目前，該系列MCU主要應(yīng)用于娛樂型裝飾照明市場中常見的T4、T8等中小型螢光管以及球泡燈。

對娛樂型裝飾照明市場而言，由于娛樂性表演內(nèi)容五光十色，不僅重視智慧自動調(diào)光，對LED照明燈具的使用壽命、發(fā)光效率以及燈光的穩(wěn)定性也相當要求，因此可調(diào)光驅(qū)動器為解決上述問題，開始被設(shè)計于照明系統(tǒng)中。

LED照明拚效率 可調(diào)光驅(qū)動器力挺

各國政府對于節(jié)能的要求日趨嚴苛，激勵可調(diào)光的LED照明需求增溫，為實現(xiàn)高效能調(diào)光并解決閃爍問題，德州儀器(TI)日前發(fā)表兩款高度整合的相位可調(diào)光交流對直流(AC-DC)LED照明驅(qū)動器，可充分滿足改裝燈泡(Retrofit Bulb)、LED安定器(Ballast)、筒燈(Downlight)及聚光燈(Spot Light)等燈具的調(diào)光需求。

德州儀器亞洲區(qū)類比產(chǎn)品市場開發(fā)電源應(yīng)用產(chǎn)品資深應(yīng)用工程師蕭益州表示，內(nèi)建可調(diào)光電源驅(qū)動IC的LED不久后將全面取代可調(diào)光的傳統(tǒng)燈泡。

傳統(tǒng)燈泡雖也可以進行調(diào)光，但較為耗電且使用壽命短，導致可調(diào)光的傳統(tǒng)燈泡必須經(jīng)常維修。導入可調(diào)光電源驅(qū)動積體電路(IC)的LED燈，不但兼顧LED較傳統(tǒng)燈泡省電80%、使用壽命至少兩萬小時的優(yōu)勢特性外，更能進行調(diào)光，提高能源使用效率，加速節(jié)能型LED照明全面取代傳統(tǒng)燈泡。

為插旗節(jié)能型LED照明市場，德州儀器已推出TPS92070/LM3448可調(diào)光系列方案，其高電流精準度的特性可為客戶準確定義電流的上下限，省去客戶不停校正的時間成本，且因其高性能的結(jié)構(gòu)，能減少支援該驅(qū)動IC的周圍零件，進一步降低客戶的成本。

目前德州儀器一系列可調(diào)光驅(qū)動IC主要銷往日本、歐洲及美國等地，而各國又因安規(guī)標準不同，所需的驅(qū)動IC規(guī)格也不盡相同。例如TPS92070因為其結(jié)構(gòu)設(shè)計為隔離式，安全性較高，可符合美國的安規(guī)要求;日本主要出貨則為無隔離設(shè)計的LM3448,而有無隔離的設(shè)計，對LED燈具整體成本的影響約為2%,一切端看客戶需求而定。

在相關(guān)節(jié)能法規(guī)的要求下，目前日本、歐美等已開發(fā)國家皆已大量采用有導入可調(diào)光驅(qū)動IC的LED燈具，而開發(fā)中的國家如中國大陸，因尚無相關(guān)法規(guī)要求，所使用的則為成本較低的無調(diào)光功能LED燈具。

至于臺灣方面，雖也無相關(guān)法規(guī)要求，但已有燈具廠商導入調(diào)光驅(qū)動IC,其應(yīng)用的市場大多仍為娛樂型照明市場為主，一般室內(nèi)照明、戶外照明與應(yīng)急照明皆未開始普及，未來若節(jié)能法規(guī)有更進一步的制定，相信節(jié)能型LED照明將更為盛行。

除了調(diào)光器架構(gòu)的選擇各有優(yōu)缺點外，為加速LED產(chǎn)品上市時程與降低整體開發(fā)成本，在產(chǎn)品正式開模生產(chǎn)前，利用光學模擬與散熱模擬來驗證產(chǎn)品可行性，已成為相關(guān)業(yè)者克敵制勝的重要利器。

加速LED開發(fā)有撇步 光學/散熱模擬不可少

綠明科技總經(jīng)理莊世任表示，透過光學與散熱模擬，可讓LED產(chǎn)品盡早推向市場，并確保品質(zhì)與可靠性。

由于LED的產(chǎn)品設(shè)計要經(jīng)過許多測試驗證，若未做好光學模擬與散熱模擬，將導致產(chǎn)品量產(chǎn)后出現(xiàn)品質(zhì)瑕疵。為解決此一問題，使用專用模擬軟體搭配三維(3D)模型為LED進行準確的模擬分析與驗證，已成為LED燈具開發(fā)不或缺的重要環(huán)節(jié)，以確保未來LED產(chǎn)品的品質(zhì)與可靠度。

進行光學與散熱的模擬，最大的目的除了加速產(chǎn)品上市時程外，還可避免因錯誤的模擬結(jié)果，而衍生重復制作大量模型機所造成的成本負擔。而模擬的流程與成效將會影響產(chǎn)品能否在最短時間內(nèi)得到可行性的確認，進而影響到上市時程，因此，有效率的進行產(chǎn)品光學模擬與散熱模擬舉足輕重。

正確的光學模擬流程應(yīng)先建立3D模型后，再建立光源，緊接著建立一個觀察面，再透過如Trace Pro、Light Tool等主要模擬軟體進行分析，若遇到較復雜的光學結(jié)構(gòu)，則可能須要使用如ZEMAX、Code V等輔助軟體來觀察結(jié)果，若測試結(jié)果可行，則輸出結(jié)果;若測試結(jié)果無法得到最佳化，則退回上一步流程，重新校正與模擬分析。

待光學模擬最佳化的結(jié)果輸出后，便可開始進行散熱模擬。莊世任強調(diào)，進行散熱模擬可減少打樣時不必要的浪費，且經(jīng)由分析軟體所得的數(shù)據(jù)與實際的溫測誤差能在5℃之內(nèi)，讓研發(fā)人員可先行掌握產(chǎn)品的參數(shù)。經(jīng)由上述模擬的步驟后，可更加確保產(chǎn)品可靠度。

進行有效率的光學模擬與散熱模擬，除要相當熟悉模擬軟體外，研發(fā)人員更須具備豐富經(jīng)驗，才能快速查驗出是哪個環(huán)節(jié)出差錯。然而，并非每家廠商都能找到優(yōu)秀的模擬驗證人才，也因此，現(xiàn)今有些LED廠商為了抄捷徑、省人事與時間成本，直接抄襲國際大廠外型設(shè)計，忽略光學與散熱模擬的重要性，直到產(chǎn)品量產(chǎn)后，才發(fā)現(xiàn)與大廠品質(zhì)相差甚遠，導致商譽受損。