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探讨关于如何增加LED照明系统可靠性的研究

  为打造兼具节能、高效的智慧照明系统,利用MCU与可调光驱动器进行环境感测、高效能调光已是现今LED照明系统盛行的设计趋势;除此之外,光学与散热的模拟亦是确保LED产品的可靠性和安全性不可或缺的开发环节。

  电路设计与系统模拟是实现发光二极体(LED)智慧型照明系统的两大成败关键,其中在电路设计方面若加入微控制器(MCU),不仅可全天候监控LED装置并即时回报异常状况,还能对照明设备进行群组控制以调节能源,使照明系统更具智慧化;而为加强LED光源稳定度,将可调光驱动器导入电路设计中,则可解决光源闪烁的问题,并提升能源使用效率。

  另一方面,透过光学与散热的模拟过程来验证产品可行性更是至关重要,此举不仅可确保产品安全性,在模拟过程中,更可加速产品的开发时程,提升市场竞争力。

  实现智慧照明系统 MCU角色吃重

  随LED的使用日趋普及,应用也越来越多元,其中智慧照明系统的商机更受到业界期待。为打造LED智慧照明系统,导入MCU可实现亮度自动调整、颜色自动变换、环境感测,以及群组系统控制等功能,丰富LED照明的应用性,并提高能源使用效率。

  英飞凌资深应用工程师朱淡森表示,MCU可让LED灯具实现智慧照明系统,充分提高能源使用效率与丰富LED多元应用。

  过往LED灯具缺乏控制与变化,即使LED已比传统卤素灯、白炽灯更为耐用,但在长时间使用下,LED的光输出仍会受到老化与温度影响而衰退,导致灯具装置内的电容易损毁,使可靠性大幅降低,且无法调光的缺陷也造成能源使用效率不彰,综合以上因素终致LED使用寿命缩短,同时应用方面,也会因灯光无法变化显得较单调乏味。

  朱淡森进一步指出,为达到调光控制、颜色变换与高效率使用能源等目标,将LED灯具导入MCU可使室内照明、户外照明、装饰照明,以及应急照明有更多的应用变化,例如控制LED灯在一天中,依照每个不同时段调整亮度以节约能源,或者透过MCU中的数位可定址照明介面(DALI)进行远端群组控制,以及随时监控LED装置是否仍正常运作,以利通知工程人员快速维修,这些新的应用都让LED灯不再仅只是开与关而已,还能有更灵活的运用。

  据了解,英飞凌为抢占LED智慧照明市场版图,分别推出XC835与XC836两款MCU,此两款MCU除接脚数与尺寸不同外,最大的差异在于XC836有支援DALI,能为LED灯具做智慧系统的远端操控,而XC835则未支援。此外,两款皆可支援触控式控制,并且都具备高耐热(150℃)与高可靠度等特性。目前,该系列MCU主要应用于娱乐型装饰照明市场中常见的T4、T8等中小型萤光管以及球泡灯。

  对娱乐型装饰照明市场而言,由于娱乐性表演内容五光十色,不仅重视智慧自动调光,对LED照明灯具的使用寿命、发光效率以及灯光的稳定性也相当要求,因此可调光驱动器为解决上述问题,开始被设计于照明系统中。

  LED照明拚效率 可调光驱动器力挺

  各国政府对于节能的要求日趋严苛,激励可调光的LED照明需求增温,为实现高效能调光并解决闪烁问题,德州仪器(TI)日前发表两款高度整合的相位可调光交流对直流(AC-DC)LED照明驱动器,可充分满足改装灯泡(Retrofit Bulb)、LED安定器(Ballast)、筒灯(Downlight)及聚光灯(Spot Light)等灯具的调光需求。

  德州仪器亚洲区类比产品市场开发电源应用产品资深应用工程师萧益州表示,内建可调光电源驱动IC的LED不久后将全面取代可调光的传统灯泡。

  传统灯泡虽也可以进行调光,但较为耗电且使用寿命短,导致可调光的传统灯泡必须经常维修。导入可调光电源驱动积体电路(IC)的LED灯,不但兼顾LED较传统灯泡省电80%、使用寿命至少两万小时的优势特性外,更能进行调光,提高能源使用效率,加速节能型LED照明全面取代传统灯泡。

  为插旗节能型LED照明市场,德州仪器已推出TPS92070/LM3448可调光系列方案,其高电流精准度的特性可为客户准确定义电流的上下限,省去客户不停校正的时间成本,且因其高性能的结构,能减少支援该驱动IC的周围零件,进一步降低客户的成本。

  萧益州进一步指出,目前德州仪器一系列可调光驱动IC主要销往日本、欧洲及美国等地,而各国又因安规标准不同,所需的驱动IC规格也不尽相同。例如TPS92070因为其结构设计为隔离式,安全性较高,可符合美国的安规要求;日本主要出货则为无隔离设计的LM3448,而有无隔离的设计,对LED灯具整体成本的影响约为2%,一切端看客户需求而定。

  萧益州表示,在相关节能法规的要求下,目前日本、欧美等已开发国家皆已大量采用有导入可调光驱动IC的LED灯具,而开发中的国家如中国大陆,因尚无相关法规要求,所使用的则为成本较低的无调光功能LED灯具。

  至于台湾方面,虽也无相关法规要求,但已有灯具厂商导入调光驱动IC,其应用的市场大多仍为娱乐型照明市场为主,一般室内照明、户外照明与应急照明皆未开始普及,未来若节能法规有更进一步的制定,相信节能型LED照明将更为盛行。

  除了调光器架构的选择各有优缺点(表1)外,为加速LED产品上市时程与降低整体开发成本,在产品正式开模生产前,利用光学模拟与散热模拟来验证产品可行性,已成为相关业者克敌制胜的重要利器。

  加速LED开发有撇步 光学/散热模拟不可少

  绿明科技总经理庄世任表示,透过光学与散热模拟,可让LED产品尽早推向市场,并确保品质与可靠性。

  由于LED的产品设计要经过许多测试验证,若未做好光学模拟与散热模拟,将导致产品量产后出现品质瑕疵。为解决此一问题,使用专用模拟软体搭配三维(3D)模型为LED进行准确的模拟分析与验证,已成为LED灯具开发不或缺的重要环节,以确保未来LED产品的品质与可靠度。

  庄世任进一步指出,进行光学与散热的模拟,最大的目的除了加速产品上市时程外,还可避免因错误的模拟结果,而衍生重复制作大量模型机所造成的成本负担。而模拟的流程与成效将会影响产品能否在最短时间内得到可行性的确认,进而影响到上市时程,因此,有效率的进行产品光学模拟与散热模拟举足轻重。

  正确的光学模拟流程应先建立3D模型后,再建立光源,紧接着建立一个观察面,再透过如Trace Pro、Light Tool等主要模拟软体进行分析,若遇到较复杂的光学结构,则可能须要使用如ZEMAX、Code V等辅助软体来观察结果,若测试结果可行,则输出结果;若测试结果无法得到最佳化,则退回上一步流程,重新校正与模拟分析。

  待光学模拟最佳化的结果输出后,便可开始进行散热模拟。庄世任强调,进行散热模拟可减少打样时不必要的浪费,且经由分析软体所得的数据与实际的温测误差能在5℃之内,让研发人员可先行掌握产品的参数。经由上述模拟的步骤后,可更加确保产品可靠度。

  进行有效率的光学模拟与散热模拟,除要相当熟悉模拟软体外,研发人员更须具备丰富经验,才能快速查验出是哪个环节出差错。然而,并非每家厂商都能找到优秀的模拟验证人才,也因此,现今有些LED厂商为了抄捷径、省人事与时间成本,直接抄袭国际大厂外型设计,忽略光学与散热模拟的重要性,直到产品量产后,才发现与大厂品质相差甚远,导致商誉受损。

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