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感测器驱动设计 降低LED成本并提升照明品质
采用更多级别 达到更低成本

【作者: Sajol Ghoshal】2015年10月20日 星期二

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就像大部分的电子元件一般,发光二极体(LED)在制造过程的天生效能就有所不同。就LED而言,这些光度及颜色的不同,会造成每一次生产运作的分级(bin)都不同。照明制造商了解所有灯具的颜色和输出都需一致的重要性,于是他们已经采用各种机制来达到高品质的成果,他们也以各自的方式在效能方面做出妥协。随着高精密度色彩感测器的广为普及,一条新路被打开了,业者将能利用较低成本的分级方法来达到更佳的照明品质。


分级和色彩精确度

由于白光LED在过去十年早期的商业化,LED制造业者快速认知到必需要建立更完整的分级(binning)方法,才能让灯具制造商可根据精确的相关色温(CCT)来选择LED,以符合各种应用领域照明使用者的需求,让LED技术能在其中找到用武之地。人眼是非常敏锐的,即使颜色只有一点不同也能察觉,甚至小至2-3 标准规范色容差(SDCM),某些观看者也能看出色彩的差异。


因此,产业很快地推动了一项分级标准,同时兼顾LED和半导体制造的实际情况,以及人类的色彩感知能力,也就是2008 ANSI C78.377A 标准,这是LED分级标准,大致代表MacAdam椭圆分档的七级,每一级的中心点就是根据常见及公认的黑体色温(CCT)曲线。



图1 : CIE 黑体曲线及ANSI LED色彩分级标准
图1 : CIE 黑体曲线及ANSI LED色彩分级标准

制造商随后定义他们自己特定的分级次标准,大部分是将ANSI每一级标准划分为四个部分,在某些例子中,这四个部分之下又各自再划分出四级。每一ANSI级别之下有16个次分级,一般来说能提供一至二个MacAdam椭圆分档的精确度;就是大部分观看肉眼实际可看到的单一、一致的颜色。


分级 vs. 成本

当LED制造过程运作完美,则制造出来的装置色彩变异,将会集中在目标点(通常大部分是被选定的CCT和BBC的加叉点),呈现出来的散点图是越向外密度越低,通常是以西南朝东北的方向发散(请见图2)。然而这种典型的分布,是在制造成过程完美的情况下才会产生的,其中还是有许多偏离中心的散点是无法被排除的。标准分级让元件购买者可以完全掌握这些情况,然而单一分级标准的可用性的确会受到些微、或是大幅变异的影响。制造业者可以利用多个库存经销商组成的网路来减轻这种供货的差异,然而这终究只是供应面的缓冲,而非重塑散点图。



图2 : LED的制程运作分布假设
图2 : LED的制程运作分布假设

一般会预期LED制造商的目标是将来自同一次制程中的每一颗LED卖完,或基本上是卖完每一级别的LED,然而LED制造商其实比较喜欢将各级LED一起卖给所有客户,这某种程度和照明业者的目标是有牴触的,照明业者的目标是要针对任一特定灯具最小生产单位(SKU)制造出单一、一致的色彩结果。对灯具业者而言,最简单的方法是针对某单一照明SKU下订单时,要求所有的LED的子级别都需最接近CCT/BBC交叉点。


不幸的是,当理论遇到现实,赢的总是现实,而在这个情况中,采用这种方法的灯具制造商会面临两个挑战1) 基于LED制程运作情况所造成的供应短缺潜在风险;以及2) 额外的元件成本,因为「单一级别」的需求大幅违反LED业者想要卖出所有级别LED的想法。这就好想是你只需要甜甜圈球,但是制造商还是得制造出整个甜甜圈。如果只存在各种甜甜圈球的市场,没有人要买没有甜甜圈球的甜甜圈,则这个「过剩」成本就应该由甜甜圈球的购买者来负担。如果所有人都合作购买 ANSI分级标准的所有「甜甜圈球」,则事情可能会有所不同,然而这些终端产品的应用理所当然会锁定共同色温范围内的BBC/CCT 交叉点。


LED制造商认知到保持低成本及产品广泛使用性的必要,这是很有价值的解决方案,能以极具成本效益的方式取得目标色彩。方法之一是在单一整合型LED封装体中结合数个晶粒。在这个方法中, LED制造业者从和目标色点不同的2或3个子分级中选出晶粒。如果这个整合型LED能针对个别晶粒分配不同数量的驱动电流,则分级的选择可以是不对称的,接近目标点的晶粒需要的驱动电流较大(更明亮),离目标点较远的晶粒所需的驱动电流则较小。


无论是对称或被控制的非对称,都为不在CCT/BBC交叉点上的次分级LED找到了去处,且照明业者一般来说也能找到供货较一致的整合型LED。 LED制造商在整合上所付出的努力,的确会产生额外的成本,然而还是少于提供单一、中心级别LED所产生的额外成本。


图3 : 对称式分布
图3 : 对称式分布

这种多级(multi-bin)概念完全可延伸应用至灯具,可采用某些LED阵列型式,且现在许多灯具制造商也已采用类似的策略,他们购买目标交叉点周围的多种色彩及亮度的其他级别LED。如果灯具内的所有LED都能被一致地驱动,(图3)则制造工程师将采用数学平均的方式,决定哪些级别LED的混搭能创造出某一特定制程所需的对称性。相较于只购买「甜甜圈球」,这的确让购买整个甜甜圈享有定价上的好处,然而这样的方法自然就需要针对「对称」级别的LED备足庞大库存,如此才能满足当下的制造需求,且这会增加库存管理及生产规划的成本。


可程式化设定的功能,让制造商得以指定更广泛、种类更多、选择更多的子级LED,但是这也会增加追踪各级LED以及生产上的问题,不过这样的困扰至少能因为成本上的好处而部分抵销,成本上的好处是来自于购买「甜甜圈」较多的部分,同时还可能将「甜甜圈球」留给其他人。无论是可程式化还是固定设定的,这两种情况都需要小心追踪各级别LED,如此才能根据可用库存来决定制程中该选用哪些级别的LED,也才能根据预定范围,透过数学计算决定如何搭配不同级别的LED,以达到成功的混合结果。


感测器可增加选项并减少材料和成本

随着精确、价格可亲的色彩感测器的出现,能让制造商指定大范围的级别,最佳化元件库存及简化生产管理。藉由此种方法,具有不同色点、距离目标CCT稍远的LED,仅需定义它们和目标色点的关系,而毋需考虑它们是由哪些子级别LED所构成的。请再一次参看图4,目标CCT上方及左侧的子级群组,可以被做为「西北象限」,这更易于进行大量生产,并能被指定至可用的驱动器通道之一。


在组装灯具中,系统的智慧元件(图4中的ILC)(ILC;Intelligent Lighting Controler;智慧照明控制器 )仅需认知通道及它的元件LED是代表整个ANSI分级中的哪一个象限。接受来自色彩感测器的输入,ILC会计算当前组合的色温及整体流明输出,并自动调整每一通道,以达到目标CCT及亮度输出。



图4 : 多通道色彩感测系统架构
图4 : 多通道色彩感测系统架构

由于LED是立即开/关的装置,因此最初的调光能在一瞬间完成,不过大部分的实际应用还是保留上一次采用的平衡状态,做为每一次周期开启的起点。因为这是一种动态、封闭回路型式的解决方案,因此在各种操作条件下及整个生命周期内,目标CCT及输出将持续维持,如此能大幅提升使用者满意度。当灯具在一段时间后损坏或故障时,这样的方法甚至可以保证新旧装置之间的颜色能精确配合。


在考虑最初的设计时,系统工程师需要评估子级别的范围条件,要考虑个别通道的亮度范围,这和灯具所需的总流明输出有关。例如,如果此灯具依赖每一通道以90%的额定电流运作,以达到所需的总流明输出,则它只留了±10%的余裕给每一个通道,这些通道只能利用这10%将组合CCT拉向其象限。如此一来,在每一个象限的各级混合中可能就需要更多的对称性​​,这就可能会限制了采用更多级别LED的策略。在设计中留下适当的余裕是重要的考量,而这将视分级组合来决定,使其立即可用且订价合宜,且不同象限的余裕也能有所不同。


不像其他采用分级方法的CCT-平衡策略,在这样的方法中,必须购买特定的子级别LED,得小心追踪,然后根据预先设定的电流进行生产配对及驱动,动态的方法则让制造商可以彻底利用较低成本、或什至是不完整、较大的级别组合。这种完全动态的方法甚至能开启一扇门,可以混用来自其他合格供应商所供应的其他级别LED,只要能够知道相关于色点的象限,并完全遵循个别通道所内建的余裕。


然而这并非完全不被分级约束,不过所有的子级边限条件都能在初始设计时就订定完成,而非做为生产进行及材料规划的一部分。利用这种设定好就置之不顾的方法来选择材料,明显的好处就是能防止「成本蠕变」,这种情况是肇因于静态混合方法需不断创建及维持更精确「平衡」的库存。整体而言,藉由购买更大级别范围的LED,也就是购买「整个甜甜圈」,灯具业者在LED元件成本方面约可省下25-50%,同时还能简化材料处理和制程。



图5
图5

在CCT-自适应型(CCT-adaptive)的架构中,采用精密的色彩感测器,例如由奥地利微电子提供的认知照明「Cognitive Lighting」解决方案,就能实现这种创新及节省成本的策略。认知照明(Cognitive Lighting)解决方案,藉由感测灯具的CCT或亮度,并针对随着时间及温度而产生的变化进行补偿,因此能让灯具拥有高亮度并较能维持颜色。


智慧照明不只和控制有关

「智慧照明」浪潮即将来袭,话题越来越热。对拥有智慧型手机的人而言,有关弹性的网路节点及连网能立的概念,也能很直觉地运用照明上。也很明显的是,认知照明(Cognitive Lighting)将能扩大我们的照明系统的功能,使其能辨识环境、空间以及使用者相关参数。这种由感测器支援的自适应功能,将能让系统微调自身,以满足空间使用者及完成它们的任务。


不那么明显的好处,则是感测器驱动的认知照明(Cognitive Lighting)还能针对灯具的实际设计和制造建立全新的效率模式,所有一切都能回归到元件层面。色彩感测器,结合多通道驱动能力及本地端智慧,只是奥地利微电子为灯具设计师所提供的众多新机会之一,在强化功能的同时,还能提升安装产品在初次开箱时及整个生命周期的系统效能。


(本文作者为ams AG奥地利微电子新兴感测器策略副总裁)


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