高亮度LED照明应用开发必需克服的技术挑战

来源：  发布日期：2011-06-27  点击次数：2609

LED发光效能持续提升，为了达到高亮度的要求，也让单一组件的功率增加不少，尤其是随之而来的运行高热状况，很可能就因为高热问题，使组件的光衰或寿命相对减低，而在组件方面若能在前段制程就考虑散热需求，要比从外在条件进行散热设计要来得更有效率，也能可持续发展更高功率、高亮度的LED组件因应日常照明应用。
 　　这几年下来，环保议题持续升温，让各种用电的现况出现极大的改变，终端电器就有多项极大的变革，像是CRT电视被LCD TV取代，甚至是大量耗能的白炽灯，也成为各国相继禁用的光源。

　　因为观察全球19％电能耗用都是用于照明应用中，若可在日常照明导入节能灯具，对于全球的能源消耗可能产生显着的节约成效，因此，各国政府为了打造更环保的国家形象，也积极透过政策、法规与产业辅导朝照明节能化应用方向发展，而利用原有的LED或是CCFL新式光源设计来取代传统光源，进行日常照明应用，也成为照明产业的重要发展趋势。

　　传统光源应用现况

　　多数实际应用场合中，仍须大量的高效能、高亮度光源，例如，路灯、卖场照明、商店照明等，需高效能、高亮度的灯具设施，大多采高强度的气体放电式灯具(High-intensity disc h a rge；HID)或卤素灯，以达到高亮度、高照度的应用需求；而在卖场、店家的长时间需求，多半选用荧光灯管(Compact Fluorescent Lamp；CFL)；住宅多仍大量使用白炽灯、荧光灯(CFL)，或以省电诉求的新式省电灯泡。在众多实际应用场合中，耗能最高、效率最差的光源应以白炽灯为主，因为应用时会让大量电能转换成无用的热，也会让灯具寿命因此降低。

　　以具体光源应用观察，日常照明市场所涵盖应用领域相当广，包含建筑物照明、标志、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等。若要讨论节能的效益，就必需针对现有的灯具提出科学化的×估的方法，例如以输入功率比与实际输出流明进行效能衡量，目前也多实行每瓦流明数进行×估基准(或能源效率efficacy)×估。

　　不同照明方案能源效率差距大

　　以现有的照明应用观察，白炽灯照明方案的能源效率最差，例如，用60W白炽灯进行照名实，能源效率约为10 lm/W，相较CFL荧光灯具的能源效率就可达50 lm/W。一支100W HID可具有80lm/W，相当于产生8,000流明亮度。

　　LED光源效能与实用性大幅提升

　　LED的特质在于本身就是1个电子零组件，与气体放电式的HID灯具、CFL荧光灯具这类光源，必需以玻璃容器内置高压气体的体积相对更小，不需内填有毒元素，组件本身就设有金属接点，并可焊接安装在任意表面上，便利性相当高。

　　LED具备未来光源多项优势，其中节能效益是最受业者关注的重点。

　　以往LED因当时技术受限，在亮度无法有效提升，多用于指示性用途的辅助光源，但现在以白光LED为例子，制作方式早已大幅改善，例如，透过高效能蓝光LED镀磷产生近似白光的发光效果，同时大幅提升单一组件的亮度输出，目前白光LED在能源效率已有大幅进展，色温表现4,500～6,000k下，在实验室的测试数据已可达到超越200 lm/W的高效能表现。

　　LED属于固态光源组件，在组件的硬度、强度较高，不会如同传统光源因为主要由玻璃制成，会出现怕摔、不耐撞击问题，也可搭配不同荧光粉设计或搭配构型设计，产制各种不同特性的光源效果，整体组件亦不含汞，同时具备超过50,000小时寿命周期，LED寿命较仅能运作1,000小时的白炽灯要高更多。

　　导入生活应用仍有关键问题待克服

　　由于LED在原器件的物理特性差异，制作光源系统的观念则与传统设计大不相同，需要有更多方面的技术与专业辅助。

　　LED灯泡型设计在空间相对紧凑，如何做到相关电路整合，必需靠整合芯片达成设计目标。

　　1、光学设计

　　LED光源属于高效率的点光源，这种过于集中的光源，在传统应用会有相当多的问题，例如，若当台灯用会造成近距离的光型不够匀称，即便LED具备宽广的色彩调控弹性，能源效率表现也相当不错，但在生活用照明应用时就会影响使用观感，点光源必须透过光学透镜或机构设计(透镜、导光素材)来产生近似传统灯具的光型表现，会增加灯具成本，在紧凑的构型设计中较难突破光学的物理特性。

　　2、散热设计

　　同样的，延续LED组件本身是点光源的限制，组件在发光时产生的温度会过度集中在单点之上，若没有效处理散热，会致使组件出现烧融，甚至缩短使用寿命!除了组件本身需针对散热强化设计，例如，透过芯片打金线或是载板的设计技术进行改善，达到自体散热设计，即便如此，热源仍会出现有过度集中在灯具点状位置的状况，如何透过外部组件的主动散热与被动散热设计，去改善结点温度控制的处理能力，这就成为相关灯具设计的技术差距。

　　3、驱动与控制电路设计

　　实际应用时，LED驱动发光仍需要大量电子电路进行辅助，才能达到高效率的目的，但对于一般白炽灯的调光设计，如果也想在新式LED光源上实现，这就必须透过DC直流供电控制进行供电调整，这时若同时考虑能耗与用电效率，会让驱动的电子电路复杂度大幅提升，就的设计很采取大量独立组件造成系统的离散设计问题，让整体省下来的电能反倒在相关电路被消耗掉了。

　　目前已有组件厂商采取单芯片的可调光控制IC设计，让灯具业者不用重新开发不同灯具的配合电路，运用现成的解决方案就能达到兼具对比旧式光源的操作体验，也可达到更高效能的节能效益。
　　E27型式的LED节能灯泡，功耗仅6瓦。

　　4、电源转换电路设计

　　LED一般都使采取DC直流驱动，但AC LED在实际应用场合，有更多的应用弹性与优势，因此也是发展LED光源相当重要的一大趋势!尤其是一般生活电力来源均为AC电力，若要快速让LED光源普及于生活应用，发展AC设计的LED产品，是相关应用快速成长的应用关键。