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实战LED照明应用与设计   【作者： 王岫晨】2009年03月08日 星期日

浏览人次：【8767】 LED技术再怎么夯，最终还是要得普及化并应用到真实生活中，否则一切终将是空谈。LED能应用之领域非常广泛，可以说只要牵涉到「光」的应用，LED都能轧上一角。而且这样还不够，这些应用未来也都能被LED给取而代之。而从LED照明产品问世的开始，也象征着白炽灯的时代即将进入尾声，LED即将全面进占人类生活的所有角落。 当然，这算是后话了，毕竟以LED照明目前发展上种种亟待克服的问题，要真能渗透并普及到生活中的每个角落，还得再期待一段时日。先撇除价格、效率、发热、专利等问题不看，目前已被开发出来的LED照明产品还真是不胜枚举。本文也将透过厂商实际开发之产品，说明LED照明产品目前之应用现况与设计挑战。 台达一小步 台湾一大步 台湾发展LED照明的优势在于上、中、下游产业链十分完整，因此若能善用这样的优势整合资源，则在LED照明产业中将如鱼得水，而台达电子（Aelta）正是这么一家在LED照明产业中拥有高度整合能力的厂商。台达电子一直致力于落实产品的节能减碳，因此目前可再生能源应用及LED应用便成为该公司技术创新的两大主轴。也随着LED产品快速融入日常生活，加上环保节能意识高涨、以及经济不景气加速低耗电新兴产品的需求，台达电子以其环保节能的企业经营理念，结合多年来于电源、散热、光学与机构等领域的技术能力，推出一系列户外与室内的LED照明新产品。 《图二 台达电子推出的LED路灯，图中可见其耗电量仅79W》

将环保理念导入产品设计

台达电子企业开发总经理暨副总裁蔡荣腾表示，台达电子研发制造了许多产品，主要根植于两项重要的技术能力，一是交换式电源供应器，另一则是可应用于包括计算机、电子、通讯、因特网与汽车的无碳直流风扇。而近年来开发的许多视讯产品更是大量应用台达开发的多项技术，例如背投影电视中的色轮、光机、光学仪器等。

台达电子的商业模式一直随着市场脚步进行调整，也因此都能够符合该公司创办人「环保、结能、爱地球」之发展理念，将这些理念导入产品设计当中，并发展新能源替代方案的产品。因此近年来也开始注重LED市场走向、发展与应用状况。而台达致力于发展LED照明的另一个主要原因，是因为台达协助美国厂商GE Lighting制作灯泡中的安定器，已有超过20年的合作经验，并在大约2005年开始协助GE Lighting做LED的电源驱动器。自此开始，台达规划了一系列不同的LED应用产品线。

《图三 台达电子之路灯模块特写》

视讯应用含括户外显示、背光与投影

在视讯应用方面，目前包括户外显示广告牌、投影机光源与LED背光板等台达都已有相关产品的推出。户外LED显示广告牌是高单价且具有高度市场商用价值的产品，这种LED显示广告牌亮度高，置于室外既使是在大白天也依然清晰可见，目前台北商业区许多精华地段，以及高雄的世运主场馆等都已经开始应用这种LED广告牌，而台达目前也积极跨入此一应用领域。而在LED视讯应用的另外产品线，则是台达与欧洲厂商合作的前投式投影机高亮度光源，以及LCD TV使用的LED背光板。台达过去便已有CCFL冷阴极管的背光源产品，CCFL众所皆知，视使用的产品不同，所使用的灯管数量也不同，例如大尺寸的电视屏幕比起NB或PC显示器所使用的灯管数量当然会更多。这样的情况，在成熟且价格便宜的CCFL灯管上并不是问题，但在发展LED背光源时便成了最大的问题。原因在于发展LED背光源，若以42吋LCD TV为例，其背光板所需要使用的LED数量超过2000颗，而目前LED发展初期最大的问题也正是成本问题，一旦应用于消费性产品市场上，价格将非常昂贵，因此就目前来看，LED背光应用只能说是叫好不叫座，重点仍然必须等待量产成熟且价格降低之后，才有商用化价值。然而LED背光板除却价格的劣势之外，事实上优点是非常多的，例如LED背光能让LCD显示器的色彩饱和度更高、寿命可长达十倍，耗电量也仅需CCFL背光的一半。

《图四 路灯模块背后为散热片》

从路灯切入照明市场

当然LED最主要的应用还是在于照明，且因为新能源节约方案的关系，许多厂商积极争取这样的商机。而照明应用最多厂商抢食的市场就是路灯照明，这也是台达电子目前非常具备市场竞争力的LED照明产品项目之一，而台达的LED路灯发光效率经过工研院认证测试高达97％，是台湾同级功耗量产路灯实测最高效率的户外照明路灯，仅80W的功耗便可发出相当于目前200W路灯的亮度。另外，台达也开发出全球第一个具备全幅无段相位式可调光（Full-Range-stepless phase-dimming）的LED照明灯。这些照明产品包括室内、户外与功能性等照明，或可取代家用照明的省电灯泡。

LED照明产品优点很多，唯一的缺点就是太过于昂贵。但这与过去省电灯泡发展的例子非常类似，也是刚推出时都非常贵，在量产成熟与用户普及之后价格也趋于合理，市场接受度也才广泛。毕竟价格越低，也越具备竞争能力。台达与许多厂商一样，最先发展路灯照明产品，这是因为政府有义务与责任推广对的产品，并兼具环境保护与减碳的功能，而LED绝对是一个正确的选项。在LED价格偏贵，一般用户不敢兴趣的情况下，由政府单位来推广并采购路灯是个很好的开始。

《图五 可调式LED灯。由图中可比较台达电子之可调式LED灯（左）亮度较市售LED灯光更亮，耗电量却更低仅约10W。》

兼具效率与便利之设计理念

在产品设计上，台达开发的LED照明产品不单从效率、安全、低成本、材料回收、及外观设计为出发点，同时也特别着重人性化使用，大幅缩短科技与人性间的距离，提升社会使用该产品之便利。台达2009年年初一系列LED照明新产品发表特别区分为三大主题，包括户外照明、功能照明、与室内照明，皆具高效率节能与便利使用之优势。

户外照明

《图六 台达发表之高亮度LED灯泡，其上为与市售灯泡之规格比较表。》

《图七 台达发表之LED煞车尾灯》

功能照明

台达电子推出的功能照明产品主打高亮度均匀光型、内建全幅无段相位式调光器（直接使用一般灯具即可调光）、全系列选择、与功率因子修正（Power Factor Correction；PFC）。

《图八从桌上型台灯到交通号志灯，台达的LED产品应用种类非常齐全。 》

《图九 台达电子的高亮度户外显示广告牌》

室内照明

另称泛用照明，产品为一般办公建筑或家庭使用。台达电子室内照明产品涵括办公室天花板灯、T8灯管、与E27锁头灯泡等，皆为高度取代原灯具设计，便利一般消费者直接替换现有其他光源。与所有台达电子其他LED照明产品相同，这些室内照明产品也具有高功率与优良流明效率及光型之优势。E27锁头灯泡也内建了全幅相位调光功能，而办公室天花板灯能段落式调光（三段式调光），皆为用户可自行调整亮度。而比起省电灯泡更佳的光电效率，以及增加照度的指向光型，也都为LED照明增加了更大的应用潜力。

NS全面驱动LED照明市场

自从LED的发光用途被广泛应用之后，照明的历史也进入新的里程。LED发光效率大大优于传统灯泡，再加上寿命长、反应快、颜色鲜明、发热度低等特色，因此被称为新一代绿色环保光源，近年来更随着可携式产品的轻薄化而受到市场青睐。如何正确挑选LED产品，并针对不同需求设计LED解决方案，已成为设计工程师的一大挑战。

根据研究机构PIDA的统计数据，至2008年时，LED在背光源与照明应用的产值将会成长至12％左右，而至2009～2010年之后，其年增率更可达到15％及18％，并进入快速成长的成熟阶段。预计2011年LED照明市场规模将达9.8亿美元，且主要成长来源为建筑照明及商业照明。

《图十 美国国家半导体亚太区电源管理产品营销经理吴志民》

美国国家半导体（NS）亚太区电源管理产品营销经理吴志民表示，LED具备低电耗、低功率、寿命长、体积小、耐震动、无紫外光、快速反应及低压驱动等优点，非常适合作为照明使用。与传统的白炽灯泡相比，LED可减少80％～90％的耗能，并同时提供相同的流明数。一个120W的LED灯便可以取代150W的白炽灯泡。此外，LED起动非常快速，无需暖机便可达到一定的亮度，较白炽灯泡快了250毫秒（ms），对于汽车照明应用非常重要。

吴志民说，现今的LED范围非常广泛，包含汽车照明、背光源、可携式产品照明、一般室内照明、号志与广告牌照明等，都有使用LED的空间，因此未来的市场规模十分可观。加上目前高亮度LED的技术愈渐成熟，未来在照明上的应用将会更佳普遍，并出现大幅的成长。

目前NS的LED产品线几乎涵盖整体LED应用市场，包括手机应用的背光、娱乐灯饰与闪光灯；照明应用的MR16、路灯照明与建筑照明；车用照明的煞车灯、头灯与日间照明灯；显示器应用的LCD背光照明、投影机等应用。

而LED照明除了在光源端着手改进之外，负责点亮LED的驱动IC也扮演关键的角色。吴志民表示，根据他实际与LED照明厂商合的经验来看，目前很多的LED照明厂商都不是传统的照明商，而是新投入该领域的业者。但无论是新厂商或者传统业者，对于LED的电路设计都不是太熟悉，都非常需要有专业的技术人员进行协助，这点也是NS最能着力的地方。

吴志民指出，目前在LED照明的驱动IC端的技术已相当的成熟，加上电路多使用既有的电路设计，因此并没有太多的困难存在。现今LED照明最主要的困难点还是市场价格的问题，另外，LED的亮度与散热也是另一个关键点。

《图十一 NS推出的Webench网页可协助LED应用设计》

目前NS为了协助LED照明相关产业的工程师在设计LED系统时能更有效率，因此推出了一款「WEBENCH」的设计工具，其特点是可协助工程师筛选二百多款高亮度发光二极管，而且确保整套灯光系统设计可在最短时间内完成。WEBENCH 设计工具涵盖Avago Technologies、Cree、Lite-On、Nichia、OSRAM 及 Philips Lumileds 等公司推出的发光二极管产品，比较它们之间的参数，其中包括灯光输出、颜色、大小、视角、电流及额定功率等。

吴志民最后也说明，LED解决方案的设计必须顾及整体系统需求，因此NS特别开发了一套WEBENCH设计工具来协助工程师设计LED系统。这套LED设计工具的特点是可以协助工程师筛选二百多款高亮度LED，而且确保整套灯光系统设计可在最短时间内完成。

工研院推动LED产品高值化

由于LED具备体积小、寿命长、省电及环保等优点，成为众多高能源效率光源中最被重视的产品。尽管LED发光效率在实验阶段的应用虽已可达一般照明功能之要求，但成本仍远高于现有省电灯泡，因此LED在一般照明应用难以普及。尽管如此，LED市场因应节能应用概念兴起，逐渐延伸在特殊照明利基型市场崭露头角，包括LED路灯、商用广告牌的投射灯、室内球场灯及LED医疗照明等应用的扩展。工研院目前便配合政府『白光政策型计划』积极开发LED光源高附加价值节能产品的政策，致力于LED特殊照明光源模块自主技术研发，将台湾LED产业与特殊照明设备厂有效成功跨异业的整合，除了对特殊照明及相关市场产业的贡献外，也扮演白光LED特殊照明创新运用火车头的角色，引领台湾LED光电产业以低成本、高价值的优势加速在特殊照明领域发展的速度。

碳排放量的减少有着显著的帮助。

《图十二 工研院电子与光电研究所光电组件应用部经理胡鸿烈》

特殊照明应用成果丰硕

工研院电子与光电研究所光电组件应用部经理胡鸿烈指出，工研院在针对特殊照明应用之产品开发成果非常丰硕。所谓的特殊照明，是将一般LED照明之外的应用全归类为特殊照明，例如汽车头灯、医疗照明等。针对医疗照明这个市场大致分为三大类，分别为医疗照明、医疗诊断与治疗三个层级，各层级所需之照明需求也不尽相同。工研院在LED医疗照明应用关键技术的研发是以LED光源之冷光、高演色的特性，作为LED手术灯、牙科灯的医疗光源，相较于现有卤素灯LED长寿命及较佳光质量优势，此技术未来更可提升人类医疗质量。

工研院LED组件封装与应用技术团队针对手术灯、牙科灯所需的高演色、低色温、高聚光、与无影度等需求，除了已经成功开发出适用于IEC60601-2-41规范的LED无影手术灯，与适用于ISO9680（1993）规范的LED牙科灯，以及演色性高于90的LED光源，并已在高演色LED光源（CRI>90）与高均匀出光荧光粉涂布技术、半反射高聚光模块、可变光形与变焦无影系统、低EMI之PWM控制系统等都有重点的专利布局。

这些光源与灯具技术虽尚处于实验室开发阶段，目前已藉由经济部先进医疗照明业界科计划，由国内LED封装生产厂东贝光电为主导，与手术医疗设备厂鼎众进行LED光源与无影灯具进行可量产化的共同开发研究，预期台湾于高附加价值的LED医疗照明应用与产业将会有全然创新与应用，特别是针对有高经济产值的LED牙科灯与LED手术灯，不论是在产品面或技术面都有相当程度的创新与准备，更能提升LED光源应用层次及提升医疗照明质量，不论是对于人类福祉、能源应用及提升台湾LED产业的经济面与应用面等都将有莫大贡献。

在车灯方面，LED相较于传统车用光源具有下列优点：

由于汽车前照灯所使用的瓦数比煞车灯与方向灯更大，所消耗的能源以及所造成的二氧化碳排放量也更大，若能将前照灯也一并更换成LED对于环保、节能更能尽一份力量。早在2003年世界汽车展览中就已经出现了第一组白光LED前照灯雏形，2005年起许多高阶车种陆续采用LED头灯，如Audi推出使用白光LED之日行灯（DRLs），Porsche于2006年推出黄光LED的前方向灯；2007年第二季Lexus推出了全世界第一辆使用白光LED当作车用前照灯光源之近光灯车款-LS600h，Audi也于2008年初推出前照灯全LED化之R8车款，这都开启了人们对于白光LED应用于汽车前照灯的重视。

LED光源使用于前照灯除了上面所提及之优点外，LED又具有下列之优点：

《图十三 AC LED晶圆》

此外，经济部技术处也持续推动LED汽车照明创新应用，结合汽车产业与工研院电光所研发团队，历时2年的努力，整合台湾LED上、中、下游及汽车产业联合成立『车用先进环保光源技术开发联盟』，由大亿交通主导，结合华创、佰鸿、亿光、璨圆、鼎元、力致以及宏惠等八家厂商，并借重工研院电光所之技术能量，投入LED车灯的研发，充分整合上中下游的关键技术与产品，以满足车厂对于先进环保光源车灯的要求，为台湾自主性的LED光源应用灯具产业注入生命力，使台湾LED相关产业与车灯产业于LED汽车头灯开发技术能力能与国际接轨。

《图十四 AC LED台灯》

从第三煞车灯、煞车灯到前头灯等，LED在车用市场已经逐渐广泛。另外在探照应用方面，工研院已开发出100瓦具小角度光束的LED强光探照灯具，除了具有无风扇、防雨功能外，用于球场照明的照度与使用传统灯具的照度相当，且省电效率可达44％。

另外，针对LED的散热方式，胡鸿烈也说明，一般LED散热方式有两种，一是系统端散热，一是热源端的解热。系统端散热就是透过风扇等简易方式散热，并无特别之处。而最困难的地方就在于热源端的解热。工研院针对热源端散热开发了横向导热架构，是针对由LED晶粒所直接发出之热源加以解热。胡鸿烈强调，所有散热方式中，离发热源最近、最早的解热方式才是最好的散热法。而横向导热装置也正是针对这样的目的而设计。

《图十五 高亮度LED应用于汽车照明头灯》

AC LED创造省能新模式

液晶显示器之产品如手机、数字相框、计算机屏幕及家用电视等，已成为台湾高科技产业发展之重点，而背光模块为液晶显示器重要关键零组件，对液晶显示器的制造成本及质量影响极大，利用LED光源制作的背光模块，预计能成为今后以环保与省能开发主题的重点。

在技术处指导下，工研院从2004年开始致力于LED背光模块的开发。2005年把光、机、电、热的人才与技术整合在一起，研发出十多台不同种类的LED 背光电视，尺吋从19吋至42吋机型，显示亮度从户内500 nits至户外1000 nits的需求皆有。其中色彩自动控制技术，克服了一般LED背光模块在长时间显示时下的色坐标漂移，使色彩更能稳定。但耗能比一般同等的CCFL背光模块为高。

《图十六 可热插入的AC LED灯模块》

有鉴与此，工研院在2006年开发更先进的LED光源及背光模块。在光源部份，一般LED为DC LED，则利用直流电源驱动的LED，而家用电源多为交流电。所以要先把交流电转为直流电要经过变压器，电流经过变压器后大约会有30％变热损耗掉。电光所开发AC LED可把LED直接连接交流电点亮，温度及寿命都比DC LED低及长。

在背光部份，工研院成功研发AC-LED背光模块电视，体积更轻薄、色彩更鲜明。在交流电驱动及控制AC LED电路，耗能跟同等的CCFL背光模块一样，但电路板的面积节省三分之二，且无需电源供应器，使厚度更薄，仅约2cm。为了提高液晶电视的对比度和更省能，也成功研发出区域控制线路，可接收电视的影像讯号，同时作出配合影像明暗度的显示。这可比CCFL背光模块对比度高出10倍，约为20000：1。可省能一半无需风扇散热，若跟液晶面板反应速度约1ms结合，加上色彩自动控制技术，可省能达四分之三，是极具潜力的绿色环保电视。工研院除了落实技术的开发，更把技术与专利授权给台湾多家相关厂商。使其大大提升面板产业国际竞争力。

《图十七 LED晶粒之横向导热散热架构示意图》

当然AC LED技术不只可用于背光板，一般的LED照明应用也非常适合。工研院芯片型交流电发光二极管照明技术（On Chip AC LED Lighting Technology）以简单的「直接用交流电驱动」观念作研发设计，取代传统LED的直流电驱动芯片发光，以交流电驱动芯片上微晶粒（micro-diode），不用整流变压器，大幅缩小 LED 的体积和重量，与传统照明兼容，应用更弹性，系统寿命更长。同时也应用可插拔式立体封装，突破LED封装限制，加大热传导接触面积，LED组件与散热系统间之接口热阻系数可达0.3℃/W以下。此外，因有简易更换的特点，在灯具及显示器的外观设计上可提供极大发挥空间，目前已应用在阅读灯及显示器背光模块上。

《图十八 工研院的On-Chip AC LED Lighting Technology获选为2008全球百大最创新技术之一》

工研院除了研发上的突破外，芯片型交流电发光二极管照明技术在专利布局上，亦已掌握关键高价值专利，从AC LED组件结构、芯片、封装与应用端，完成全球AC LED先期的整体专利布局。2008年10月3日工研院更整合台湾光宝、晶电等19家上中下游国内厂商，共同组成AC LED应用研发联盟，发展AC LED应用产品，快速推动AC LED照明市场新发展。

《图十九 LED专业手术灯让医师判断更准确》

值得一提的是，而工研院的芯片式交流电发光二极管照明技术（On-Chip AC LED Lighting Technology）也获选为2008全球百大最创新技术之一，与Intel、杜邦（Dupon）、美国阿冈实验室（Argonne National Laboratory）、美国太空总署（NASA）等知名机构齐获此一殊荣。On Chip AC LED以创新芯片式交流电操作，加上立体插拔式（hot swapping）散热的研发创意，在来自世界的创新技术激烈角逐中，被评选为今年度全球100项最具创新能力的科技之一。

采用交流电直接驱动LED芯片发光，不需整流变压器，较传统LED节省15～30％电力，搭配立体导热、可插拔封装技术，体积小等特性，较容易进行多变化的照明设计。

《图二十 LED装饰灯》

结语

不论是台湾或全球市场，许多研究报告都指出，LED应用与目前的经济景气衰弱正好呈现相反走势，不论零组件或成品与应用等，LED的市场调查都呈现成长趋势。现今的LED应用范围非常广泛，包含汽车照明、背光源、可携式产品照明、一般室内照明、号志与广告牌照明等，都有使用LED的空间，因此未来的市场规模十分可观。加上目前高亮度LED的技术愈渐成熟，未来在照明上的应用将会更佳普遍，并出现大幅的成长。我们或许可以这样说，在没有其他更好的照明解决方案出现之前，LED绝对将是未来照明应用最强势的主流技术。

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