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感測器驅動設計 降低LED成本並提升照明品質
採用更多級別 達到更低成本

【作者: Sajol Ghoshal】   2015年10月20日 星期二

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就像大部分的電子元件一般,發光二極體(LED)在製造過程的天生效能就有所不同。就LED而言,這些光度及顏色的不同,會造成每一次生產運作的分級(bin)都不同。照明製造商了解所有燈具的顏色和輸出都需一致的重要性,於是他們已經採用各種機制來達到高品質的成果,他們也以各自的方式在效能方面做出妥協。隨著高精密度色彩感測器的廣為普及,一條新路被打開了,業者將能利用較低成本的分級方法來達到更佳的照明品質。


分級和色彩精確度

由於白光LED在過去十年早期的商業化,LED製造業者快速認知到必需要建立更完整的分級(binning)方法,才能讓燈具製造商可根據精確的相關色溫(CCT)來選擇LED,以符合各種應用領域照明使用者的需求,讓LED技術能在其中找到用武之地。人眼是非常敏銳的,即使顏色只有一點不同也能察覺,甚至小至2-3 標準規範色容差(SDCM),某些觀看者也能看出色彩的差異。


因此,產業很快地推動了一項分級標準,同時兼顧LED和半導體製造的實際情況,以及人類的色彩感知能力,也就是2008 ANSI C78.377A 標準,這是LED分級標準,大致代表MacAdam橢圓分檔的七級,每一級的中心點就是根據常見及公認的黑體色溫(CCT)曲線。



圖1 :  CIE 黑體曲線及 ANSI LED色彩分級標準
圖1 : CIE 黑體曲線及 ANSI LED色彩分級標準

製造商隨後定義他們自己特定的分級次標準,大部分是將ANSI每一級標準劃分為四個部分,在某些例子中,這四個部分之下又各自再劃分出四級。每一ANSI級別之下有16個次分級,一般來說能提供一至二個MacAdam橢圓分檔的精確度;就是大部分觀看肉眼實際可看到的單一、一致的顏色。


分級 vs. 成本

當LED製造過程運作完美,則製造出來的裝置色彩變異,將會集中在目標點(通常大部分是被選定的CCT和BBC的加叉點),呈現出來的散點圖是越向外密度越低,通常是以西南朝東北的方向發散(請見圖2)。然而這種典型的分佈,是在製造成過程完美的情況下才會產生的,其中還是有許多偏離中心的散點是無法被排除的。標準分級讓元件購買者可以完全掌握這些情況,然而單一分級標準的可用性的確會受到些微、或是大幅變異的影響。製造業者可以利用多個庫存經銷商組成的網路來減輕這種供貨的差異,然而這終究只是供應面的緩衝,而非重塑散點圖。



圖2 :  LED的製程運作分佈假設
圖2 : LED的製程運作分佈假設

一般會預期LED製造商的目標是將來自同一次製程中的每一顆LED賣完,或基本上是賣完每一級別的LED,然而LED製造商其實比較喜歡將各級LED一起賣給所有客戶,這某種程度和照明業者的目標是有牴觸的,照明業者的目標是要針對任一特定燈具最小生產單位(SKU)製造出單一、一致的色彩結果。對燈具業者而言,最簡單的方法是針對某單一照明SKU下訂單時,要求所有的LED的子級別都需最接近CCT/BBC交叉點。


不幸的是,當理論遇到現實,贏的總是現實,而在這個情況中,採用這種方法的燈具製造商會面臨兩個挑戰1) 基於LED製程運作情況所造成的供應短缺潛在風險;以及2) 額外的元件成本,因為「單一級別」的需求大幅違反LED業者想要賣出所有級別LED的想法。這就好想是你只需要甜甜圈球,但是製造商還是得製造出整個甜甜圈。如果只存在各種甜甜圈球的市場,沒有人要買沒有甜甜圈球的甜甜圈,則這個「過剩」成本就應該由甜甜圈球的購買者來負擔。如果所有人都合作購買 ANSI分級標準的所有「甜甜圈球」,則事情可能會有所不同,然而這些終端產品的應用理所當然會鎖定共同色溫範圍內的BBC/CCT 交叉點。


LED製造商認知到保持低成本及產品廣泛使用性的必要,這是很有價值的解決方案,能以極具成本效益的方式取得目標色彩。方法之一是在單一整合型LED封裝體中結合數個晶粒。在這個方法中, LED製造業者從和目標色點不同的2或3個子分級中選出晶粒。如果這個整合型LED能針對個別晶粒分配不同數量的驅動電流,則分級的選擇可以是不對稱的,接近目標點的晶粒需要的驅動電流較大(更明亮),離目標點較遠的晶粒所需的驅動電流則較小。


無論是對稱或被控制的非對稱,都為不在CCT/BBC交叉點上的次分級LED找到了去處,且照明業者一般來說也能找到供貨較一致的整合型LED。LED製造商在整合上所付出的努力,的確會產生額外的成本,然而還是少於提供單一、中心級別LED所產生的額外成本。


圖3 :  對稱式分佈
圖3 : 對稱式分佈

這種多級(multi-bin)概念完全可延伸應用至燈具,可採用某些LED陣列型式,且現在許多燈具製造商也已採用類似的策略,他們購買目標交叉點周圍的多種色彩及亮度的其他級別LED。如果燈具內的所有LED都能被一致地驅動,(圖3)則製造工程師將採用數學平均的方式,決定哪些級別LED的混搭能創造出某一特定製程所需的對稱性。相較於只購買「甜甜圈球」,這的確讓購買整個甜甜圈享有定價上的好處,然而這樣的方法自然就需要針對「對稱」級別的LED備足龐大庫存,如此才能滿足當下的製造需求,且這會增加庫存管理及生產規劃的成本。


可程式化設定的功能,讓製造商得以指定更廣泛、種類更多、選擇更多的子級LED,但是這也會增加追蹤各級LED以及生產上的問題,不過這樣的困擾至少能因為成本上的好處而部分抵銷,成本上的好處是來自於購買「甜甜圈」較多的部分,同時還可能將「甜甜圈球」留給其他人。無論是可程式化還是固定設定的,這兩種情況都需要小心追蹤各級別LED,如此才能根據可用庫存來決定製程中該選用哪些級別的LED,也才能根據預定範圍,透過數學計算決定如何搭配不同級別的LED,以達到成功的混合結果。


感測器可增加選項並減少材料和成本

隨著精確、價格可親的色彩感測器的出現,能讓製造商指定大範圍的級別,最佳化元件庫存及簡化生產管理。藉由此種方法,具有不同色點、距離目標CCT稍遠的LED,僅需定義它們和目標色點的關係,而毋需考慮它們是由哪些子級別LED所構成的。請再一次參看圖4,目標CCT上方及左側的子級群組,可以被做為「西北象限」,這更易於進行大量生產,並能被指定至可用的驅動器通道之一。


在組裝燈具中,系統的智慧元件(圖4中的ILC)(ILC;Intelligent Lighting Controler;智慧照明控制器 )僅需認知通道及它的元件LED是代表整個ANSI分級中的哪一個象限。接受來自色彩感測器的輸入,ILC會計算當前組合的色溫及整體流明輸出,並自動調整每一通道,以達到目標CCT及亮度輸出。



圖4 :  多通道色彩感測系統架構
圖4 : 多通道色彩感測系統架構

由於LED是立即開/關的裝置,因此最初的調光能在一瞬間完成,不過大部分的實際應用還是保留上一次採用的平衡狀態,做為每一次周期開啟的起點。因為這是一種動態、封閉迴路型式的解決方案,因此在各種操作條件下及整個生命週期內,目標CCT及輸出將持續維持,如此能大幅提升使用者滿意度。當燈具在一段時間後損壞或故障時,這樣的方法甚至可以保證新舊裝置之間的顏色能精確配合。


在考慮最初的設計時,系統工程師需要評估子級別的範圍條件,要考慮個別通道的亮度範圍,這和燈具所需的總流明輸出有關。例如,如果此燈具依賴每一通道以90%的額定電流運作,以達到所需的總流明輸出,則它只留了±10%的餘裕給每一個通道,這些通道只能利用這10%將組合CCT拉向其象限。如此一來,在每一個象限的各級混合中可能就需要更多的對稱性,這就可能會限制了採用更多級別LED的策略。在設計中留下適當的餘裕是重要的考量,而這將視分級組合來決定,使其立即可用且訂價合宜,且不同象限的餘裕也能有所不同。


不像其他採用分級方法的CCT-平衡策略,在這樣的方法中,必須購買特定的子級別LED,得小心追蹤,然後根據預先設定的電流進行生產配對及驅動,動態的方法則讓製造商可以徹底利用較低成本、或甚至是不完整、較大的級別組合。這種完全動態的方法甚至能開啟一扇門,可以混用來自其他合格供應商所供應的其他級別LED,只要能夠知道相關於色點的象限,並完全遵循個別通道所內建的餘裕。


然而這並非完全不被分級約束,不過所有的子級邊限條件都能在初始設計時就訂定完成,而非做為生產進行及材料規劃的一部分。利用這種設定好就置之不顧的方法來選擇材料,明顯的好處就是能防止「成本蠕變」,這種情況是肇因於靜態混合方法需不斷創建及維持更精確「平衡」的庫存。整體而言,藉由購買更大級別範圍的LED,也就是購買「整個甜甜圈」,燈具業者在LED元件成本方面約可省下25-50%,同時還能簡化材料處理和製程。



圖5
圖5

在CCT-自適應型(CCT-adaptive)的架構中,採用精密的色彩感測器,例如由奧地利微電子提供的認知照明「Cognitive Lighting」解決方案,就能實現這種創新及節省成本的策略。認知照明(Cognitive Lighting)解決方案,藉由感測燈具的CCT或亮度,並針對隨著時間及溫度而產生的變化進行補償,因此能讓燈具擁有高亮度並較能維持顏色。


智慧照明不只和控制有關

「智慧照明」浪潮即將來襲,話題越來越熱。對擁有智慧型手機的人而言,有關彈性的網路節點及連網能立的概念,也能很直覺地運用照明上。也很明顯的是,認知照明(Cognitive Lighting)將能擴大我們的照明系統的功能,使其能辨識環境、空間以及使用者相關參數。 這種由感測器支援的自適應功能,將能讓系統微調自身,以滿足空間使用者及完成它們的任務。


不那麼明顯的好處,則是感測器驅動的認知照明(Cognitive Lighting)還能針對燈具的實際設計和製造建立全新的效率模式,所有一切都能回歸到元件層面。色彩感測器,結合多通道驅動能力及本地端智慧,只是奧地利微電子為燈具設計師所提供的眾多新機會之一,在強化功能的同時,還能提昇安裝產品在初次開箱時及整個生命週期的系統效能。


(本文作者為ams AG奧地利微電子新興感測器策略副總裁)


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