驱动和调光技术有突破 LED应用渐热

　　LED照明应用市场可望快速壮大。受惠于LED照明驱动电路架构持续翻新，以及加入微控制器进行调光控制，LED照明装置成本不仅持续降低，亦加快取代传统白炽灯，进而扩大应用范畴。

　　发光二极体（LED）照明市场前景可期。LED照明系统在驱动IC和系统控制电路上有新的突破后，再加上调光技术的辅助，不仅LED照明系统成本不断续降，市场接受度也不断提升，让LED照明市场发展更现曙光。

　　

　　图1 NPD DisplaySearch***分公司分析师佘庆威表示，LED照明相关发展业者要能获得较大的利润空间，应致力研发特殊应用LED灯具。

　　NPD DisplaySearch***分公司分析师佘庆威（图1）表示，即使目前LED背光仍占LED总应用市场的最大宗，但LED照明的成长速度亦不容小觑。根据NPD DisplaySearch预估，2013年LED照明市场的总产值将较2012年高出一倍；而2014年LED照明的需求量将与背光相当，2015年则可正式超越背光，成为LED应用市场主流（图2），并创造可观的商机。

　　值得注意的是，由于LED照明应用市场庞大可期，吸引众多LED相关业者竞逐，以至于僧多粥少，业者的获利仍有限。佘庆威认为，现阶段LED照明市场的发展策略为取代传统灯具，落实节能环保的趋势，然而，LED照明与传统灯具的发展脉络大相迳庭，不仅在产品更新速度上有所差异，成本也具备相当的落差，导致LED照明取代传统灯具的步调不快，市场成长也无法满足所有LED照明相关厂商的投资。

　　

　　图2 2012∼2016年LED背光与照明应用对LED的需求量分析　资料来源：NPD DisplaySearch（07/2013）

　　扩大LED照明市场版图　成本/调光技术为关键

　　虽然LED照明市场商机诱人，但如何突破现状，让LED照明加快取代传统照明，降低成本与增添调光技术将是重点。佘庆威分析，LED发光效率逐年提升，对LED大举进入照明市场已不是阻碍，反而是LED照明成本如何从现在的10∼25美元，再缩短与传统白炽灯的价差，以及增加LED照明系统的附加价值，如整合调光技术，LED照明的市场规模才足以养活所有的业者。

　　另一方面，未来LED照明相关业者若专注非替换白炽灯的特定应用市场，如台灯、天花板嵌灯与平板灯等，将有更好的获利空间，亦更有机会大显身手。佘庆威指出，从LED照明各种应用来看，目前灯管、球泡灯与路灯的市场需求较大（图3）；天花板嵌灯则由于是用于新建房屋，现有旧屋舍若要导入须改变装潢与电线电路，因此市场仍有限，但预估2015∼2016年，天花板嵌灯及平板灯结合调光技术与居家主电力系统后，将成为LED晶粒需求最大宗应用，并创造二十亿美元以上的商机。

　　

　　图3 2012∼2016年各类灯具对LED需求量分析　资料来源：NPD DisplaySearch（07/2013）

　　

　　图4 立錡资深经理廖光彬分析，多串式线性电路须额外增加EMI电容，才可顺利通过EMI测试。

　　线性架构有效抑制电流纹波

　　LED照明系统中，占总成本较大且设计时间花费较长的即为驱动电路，其中，电流纹波（Current Ripple）的消除将影响驱动电路的效能，甚至牵动整体成本，因此设计工程师须采用合宜的驱动电路，才可避免电流纹波造成的设计困扰。立錡资深经理廖光彬（图4）表示，LED照明驱动电路设计中，采用越高功率电流滤波器（Power Filter）将造成电流纹波，若要消除电流纹波，可采用较低功率的电流滤波器，但驱动电路效能相对将降低，或是采用隔离式或非隔离式双级（Two Stage）设计，不过成本也稍高。值得注意的是，若工程师采用现下主流的隔离或非隔离电路，则须注意非隔离式的产品在安规认证有较大的问题，而采用隔离电路则设计较复杂。

　　事实上，若只考量成本，阻容降压线路是现有LED照明驱动电路中最具成本效益的设计。廖光彬指出，虽然阻容降压线路具备设计简单、所需元件少、低成本、高效率与无电磁干扰（EMI）等优点，但阻容降压电路架构非常容易受到市电、频率及电容误差所影响（图5），以至于量产精准度差。另外，阻容降压线路较大的输出电流涟波，易有市电两倍频光干扰的现象，也容易造成LED寿命缩短。更重要的是，阻容降压线路电路可靠度低，无任何保护功能。

　　

　　图5 阻容降压电路电流纹波测试状况　资料来源：立錡（07/2013）

　　因此目前仅中国大陆LED灯具制造商，以及强打超低价的LED灯泡开发商，才会采用阻容降压线路。为解决阻容电压电路的缺点，同时兼顾成本，LED照明驱动IC研发业者提出单串式线性驱动设计，然而单串式线性驱动设计最大问题在电源效率与输入电压成反比，换句话说，输入电压太高易造成驱动IC过热损坏。此外，单串式线性驱动设计无法增加调光功能。

　　有鉴于此，多串式线性驱动方案逐渐受到重视。廖光彬指出，多串式线性驱动设计毋须采用电阻与电容，电路设计简单，并可藉由增加LED数目，延伸输入电压范围，惟LED串分布须加以考量，以免造成照明系统发光均匀度不佳的问题。

　　

　　图6 达鑫电子市场行销部产品行销专案经理张君源指出，LED照明线性驱动电路将成为继隔离与非隔离电路之后，备受瞩目的技术。

　　达鑫电子市场行销部产品行销专案经理张君源（图6）强调，无论单串或多串式线性驱动架构均仍有缺点，但线性架构具备体积小、生产成本低及高性价比等特性，因此在现有的隔离与非隔离驱动架构之外，已逐渐受到LED照明市场瞩目。

　　举例来说，LED球泡灯与灯管体积越做越小，但驱动电路所需元件相当固定，再微缩实有困难，然而采用线性架构将可达到LED晶粒与驱动电路光电一体化的目标，不仅可缩小驱动电路体积，也可大幅降低成本。

　　张君源认为，除上述优点外，线性驱动还有设计简单、无EMI的优势，至于线性驱动电路较大的闪烁问题，也可利用涂布稀土萤光粉解决，提升LED球泡灯或灯管的发光均匀度。由于线性架构拥有许多优势，未来该设计在市场的接受度将快速提升。

　　解决互通性问题　智慧调光规范相继登场

　　

　　图7 英飞凌电源管理及多元电子事业处资深产品经理张文贵表示，LED照明系统加入调光功能，可提升附加价值。

　　在LED照明驱动电路架构不断推陈出新的同时，提高附加价值亦成为LED照明相关业者发展重点。英飞凌（Infineon）电源管理及多元电子事业处资深产品经理张文贵（图7）表示，LED照明增添调光功能的最大目的为省电，但是若LED照明增加调光功能，甚至增加调光阶段，将可为LED照明系统业者带来更多利润。

　　LED灯具调光的基本原理之一为电流改变，LED色温也会改变，即可让人眼感觉亮度的变化，不过，业者须注意人眼在低亮度状态下，对光的变化量会变得相当敏感，因此低亮度的调光设计模式，须避免LED出现闪烁，造成使用者经验不佳。张文贵指出，除了色温的变化外，脉冲宽度调变（PWM）亦为LED灯调光的方式之一。事实上，无论采用何种调光方式，LED灯具调光技术对业者而言已不是问题，最大的挑战在于不同业者推出的调光器与LED灯具间的互通性。

　　为解决互通性问题，国际标准组织如能源之星（Energy Star）、加州能源局（California Energy Commission）、Zhaga已推出相关规范，最新的规范为NEMA SSL-7。张文贵表示，NEMA SSL-7结合使用者需求和LED灯具制造商针对调光器与灯具间的互通性要求，并结合能源之星、Zhaga与加州能源局的相关规范而来，目前解决相容性问题的NEMA SSL-7 Part A测试规范已底定，业者已可针对此部分研发调光器与灯具。

　　此外，能源之星的LED调光规范也将于2014年9月1日正式实施，规定LED灯具业者的装置须与至少五家以上的调光器业者产品进行相容性测试，如此一来，LED灯具业者开发产品时，将可确保产品可与更多调光器搭配使用，提高消费者采用意愿。
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　　驱动电路整合MCU　LED照明降价空间大增

　　

　　图8 爱特梅尔行销总监Tushar Dhayagude认为，LED照明驱动电路导入微控制器，将可进一步节省成本。

　　LED照明成本要再往下降，提升驱动电路效率将是较佳的方式。爱特梅尔（Atmel）行销总监Tushar Dhayagude（图8）表示，不同LED照明应用有不同的电压需求，因此驱动IC须有多元的设计，才能满足市场需求，甚至进一步降低总体系统成本。不仅如此，因应LED照明系统迈向智慧化发展，LED照明驱动电路内亦可加入以控制见长的微控制器，负责调光、无线通讯与其他控制功能如控制驱动IC，以提升系统效能，并简化设计，加速产品上市。

　　据了解，目前多数LED照明系统业者皆欲以无线通讯技术实现智慧调光功能。Dhayagude认为，ZigBee、蓝牙（Bluetooth）与无线区域网路（Wi-Fi）皆可做为LED照明系统智慧调光的射频技术，不过尤以ZigBee更为合适，原因在于LED照明系统须有较多的控制节点，而ZigBee可布建网状网路的特性，遂成为LED照明系统开发业者的首选。

　　无论使用何种无线射频技术，LED照明驱动电路中势必须增加无线射频技术相关元件，若采用整合无线射频技术收发器的微控制器，将可进一步节省成本（图9）。

　　

　　图9 LED驱动器整合趋势　资料来源：爱特梅尔（07/2013）

　　

　　图10 意法半导体行销经理吴玉君指出，该公司针对LED照明智慧调光功能，已推出一系列高整合与低成本微控制器产品。

　　意法半导体（STMicroelectronics） 行销经理吴玉君（图10）表示，加入微控制器不仅可简化LED照明驱动电路设计，也可省去额外的零组件，如金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET），还可与其他竞争对手做出市场区隔。

　　吴玉君强调，透过有线或无线技术进行调光控制已成大势所趋，微控制器将扮演重要角色，利用高整合度8位元微控制器的通用异步收发器（UART）及介面即可连结ZigBee、电力线通讯（PLC）或蓝牙等通讯技术，打造LED智慧调光照明系统。

　　值得注意的是，工程师若采用整合LLC与功率因数校正（PFC）控制电路的微控制器，即可毋须导入较大功率的驱动IC，亦可进一步节省成本。

　　由上述可知，在驱动IC与微控制器业者的努力下，LED照明驱动电路的成本已逐渐下探，再加上灯具业者积极加入智慧调光功能，以及互通性标准的推展，LED照明系统的市场接受度将逐渐提高，可望创造更庞大的市场商机。