LED

造成LED面板發熱的一個因素是：在視訊牆中進行功率轉換和配電時會出現熱損耗；這種損耗來自功率轉換以及布線與印刷電路板的電阻性銅損。那應該怎樣解決呢？對不同分區選項進行優點評估，將有助於在設計高功率LED應用時，確定最好的選項。 LED電源/供應器影響效率高低 直觀式LED顯示器可以用更少的能量產生更多的光輸出(即有用功率)，因此除了比LED背景光液晶顯示器更亮以外，功率效率也高很多。雖然如此，它們仍然以熱量形式產生大量的「耗散功率」。LED摸起來一般會很涼，這種現象似乎令人感到訝異。這是因為它們通常並不會以紅外線輻射形式產生熱量，一接觸就能感覺到。事實上有85%的能耗都是以熱量形式耗散的，因此，大型LED陣列需要的功率遠遠超過了光轉換功率。 大型LED面板的LED功耗會很高。例如，弗蒙街體驗顯示器(圖1)全亮時功耗為2.2MW，白天甚至需要更多的能量才能抵消陽光的作用；即使是小型顯示器，同樣也有大量的LED，功耗也很高。 圖1　弗蒙街體驗LED顯示器的解析度為7,552×552 個像素，像素間隔為2吋，全亮時功耗為2.2 MW。採用1,250萬LED，尺寸為 1,500×90。 圖片來源：印第安納波利斯藝術博物館 例如一家領導製造商產製的顯示模組有一個80×80的陣列，總共有6,400個LED，需要300W(5V、60A)的電源。因此，要實現效率最大化，關鍵須看LED電源供應器的設計。 大型LED陣列　無縫影像伸縮自如 由多個面板組成的大型LED陣列可以提供任意大小或形狀的無縫影像，從任何角度都能獲得優異的觀賞效果。就尺寸而言，從簡單的捲動訊息顯示器到與圖1所示的弗蒙街體驗(使用的LED有1,250萬個)類似的顯示器舉不勝舉。圖2是LED技術具有獨特優點的兩種顯示器實例：安裝在計程車上的LED廣告顯示器和環繞建築物側邊的高彎曲曲面顯示器。 圖2　LED顯示器可以變幻，以對即時車輛位置資訊作出回應(A)，或者符合三維形狀(B)。 圖片來源：Vicor與commercialledscreens.com 級數最小化須優先設計 電源供應系統必須採用最有效率的方式，將傳入的AC電壓轉換成隔離的低電壓、高電流DC電。每一級功率轉換都會增加成本，浪費能量，因此，級數最小化須要優先設計。 大型視訊牆由許多連結在一起的模組組成，因此，有效率的設計還必須調整適當大小，使重複的功率轉換級最小化。 前兩大優先設計選項： 1.最小化配電損耗—電力透過電阻線路從電源供應器傳輸給LED陣列，會以熱量方式產生功率損耗，俗稱配電損耗。電流(I)的配電損耗與該電流的平方成正比，即：P=I2R，其中R為電線、母線或印刷電路板跡線的電阻。降低配電損耗，需要降低電流或降低電線的電阻。 降低電流的同時為負載輸出相同的總功率，則需要增大電壓(P=VI)。舉例說明，電壓從24V加倍到48V，會將電流降低50%，進而會使配電損耗下降75%。 嘗試藉由降低電線電阻來得到相同的結果時，導線截面積需要變為四倍，這樣會使重量和成本同時增加，這不太實際。 2.降低LED的發熱效應—如前文所述，熱量是LED的死對頭，而無效率的電源設計只會使事情變得更糟。溫度過高會縮短LED的有效壽命，並會造成變色(圖3)。更糟糕的是，光輸出會隨接面溫度的升高而下降；為LED應用提供有效的電源供應系統，必須注意每個獨立元件，避免局部熱點，這些局部熱點不僅會使LED更早損壞，而且在整個使用過程中也會更暗、不明亮。這對於光品質和均勻度同樣重要的視訊牆而言至關重要。 圖3　不同顏色LED的相對光輸出與接面溫度的關係 資料來源：RPI/LumiLeds 改善電源系統效率的簡易方法是最大限度減少轉換級數。例如，去掉一個轉換級可將系統效率改善5%~10%，並且以功率位準為準，可減少系統內所產生的熱量。要取消轉換級，設計人員需要選擇可在不影響效率的情況提供高降壓轉換比的元件。 電源系統元件實現差異化 有許多方法都可分區電源供應系統，將AC市電轉換成用於LED驅動器及控制電路的低電壓DC電。無論選擇哪種特定分區，一般的設計都包含以下組塊： ．由熱保護金屬氧化物變阻器(TMOV)或類似裝置提供的輸入保護。 ．AC濾波整流組塊。 ．含功率因子校正(PFC)的整體式AC-DC轉換組塊，用於最大化AC市電提供的電源並遵守嚴謹的設備功率因子要求。 ．負載點(PoL)DC-DC降壓穩壓器，用來產生負載端高穩壓率電壓輸出。 如圖4所示，簡化大型視訊牆的電源供應器設計。這會帶來可最大幅度減少轉換級並且只需極少外部元件的簡易設計。 圖4　混合電壓AC-DC電源系統分區。PFM將中間母線電壓輸出至各面板的負載點轉換器。 資料來源：Vicor AC輸入級 AC輸入前端模組(AIM)可執行線路整流、EMI/RFI濾波、暫態保護及湧流限制，為後級提供非隔離式整流AC線路電壓。 AC-DC轉換 PFM系列可為AC-DC系統提供具有PFC的隔離、穩壓型AC-DC轉換器。這款AIM/PFM組合能夠以高達92%的效率，將通用AC轉換成隔離式48V或24V電壓，以供高達400W的系統使用；其外形比普通智慧型手機還小。本系列採用雙面散熱外殼，提供底盤安裝和電路板安裝兩個選項。 DC-DC降壓轉換 Cool-Power是高輸入電壓、寬輸入範圍DC-DC零電壓切換(ZVS)降壓穩壓器系列，採用單個封裝高度整合了控制器、電力開關以及各種支撐元件。ZVS拓撲可實現百萬赫茲切換頻率，其可降低閘極驅動損耗與本體二極體傳導損耗；Cool-Power ZVS穩壓器的運作輸入電壓可以是12V、24V，也可以是48V，可達到超過97.5%的效率，並且只需一個外部電感器和極少的電容器，便可構成完整的DC-DC降壓穩壓器解決方案。 使用上述建置組塊，LED視訊牆可能有幾種系統分區。由多個較小面板組成的大型面板顯示器必須能夠關斷公用母線電壓。將AC電源直接配送給各面板，然後在各面板上進行AC-DC轉換，這樣做不僅成本高，而且體積大，通常不是基於安全考慮的選項。相反，單個整體式AC-DC轉換器級常用於供應隔離式低電壓母線電壓，為各個獨立面板提供電力。就大型面板而言，從整體式AC-DC供應器到LED驅動器的距離可達數公尺長，隨著功率位準提升，挑戰也會跟著出現。 採用48V配電　既安全又省電 24V和12V配電一直是LED面板最常用的母線電壓。與AC配電相比，可從面板消除潛在致命的電壓，而且符合低電壓電源供應器的安全特低電壓(SELV)「安全」電壓位準要求。 然而，比12V或24V更好的選項是，將中間電壓加倍到48V。48V低於60V，因此仍然符合SELV準則，甚至還包含20%的過壓保護容差。與24V系統相比，這不僅可在給定功率位準下將電流減半，而且還可減少纜線成本和重量，達到更加節省的效果。 此外，它還可將配電損耗減少75%，熱產生降低。更低的運作溫度可提高系統可靠性，而更低的電流則可縮減LED面板的厚度。母線以更低的配電損耗傳輸更高的電壓還會使視訊牆更有效率，讓終端使用者的生命週期運轉成本降低。 生成隔離式48V配電母線可能會非常簡單，除了AC輸入PFM以外，高功率3相位AC-DC轉換器後面可能還連接有母線轉換器模組(BCM)，用來以高達98%的尖峰效率將380V轉換成隔離式48V。單個高電壓BCM能在63×22毫米封裝內進行1.75kW的功率輸出，功率密度為2,735W/in3。48V解決方案後面隨後既可連接48V輸入Cool-Power降壓穩壓器，也可連接48V輸入Cool-Power升降壓穩壓器，以直接供電給LED或LED驅動器。 48V讓LED更亮/壽命更長 先深入了解幾種方法的優點。在大型視訊顯示器中驅動成千上萬個LED，需要有效率的電源系統，才能產生所需要的低電壓、高電流電源。將電壓提升到48V，也可獲得許多24V無法提供的效益： 1.熱產生減少/熱管理更容易。 2.更少的電纜敷設/降低了成本，縮小了尺寸及重量。 3.LED效能提升/顯示品質改善。 4.面板壽命更長/可靠性更高。 5.功率效率更高/用電量更少。 以Vicor的模組化電源系統元件為例，可以輕鬆組合可組配、高密度、高效率的LED電源供應系統。性該組件系統具備高靈活只需極少的操作，就能適應幾乎任何功率位準、尺寸或封裝。高靈活、高效率的建置組塊與直觀式線上設計工具及易於使用的開發套件相結合。 為了確保下一代大型LED顯示器部署，讓LED更亮、使用壽命更長，請從48V開始。 (本文作者為Vicor資深產品行銷經理)

當時路上車輛較少、行車速度較慢，偶爾還須閃避馬和馬車，這種行車方式也還算過得去，但這些年來已進步許多，包括： ．車輛照明從煤油燈進化到白熾燈泡、發光二極體(LED)和有機LED(OLED)，提供了更可靠、更有效率的照明光源。    ．車輛為特定照明功能所安裝的照明光源數量也從單一燈泡增加為多像素化設計。                                                    ．可變照明讓駕駛能夠更有效地溝通想採取的動作，使整體行車變得更加安全。 ．外部照明可提供有型且符合個人化目的之功能與型式。                          ．電磁干擾(EMI)相容性。 ．故障偵測和防護。 ．電子照明控制模組可實現法規要求的訊號功能，並可提供傳統靜態以外的動態功能，包含個人化的歡迎駕駛訊息(例如迎賓燈)。 ．隨著後車燈系統越來越複雜，來自光學、機械、電子與製造領域的工程師在設計新系統時都面臨了新挑戰。 由於現代化的後車燈的解決方案，其他駕駛在各種環境下的行為變得更容易預測，也讓行車變得更安全。在此白皮書中，我們會將重點放在電子挑戰上，並研究可能的解決方案來加以克服。這些挑戰包括： ．更高的電源需求。 ．散熱管理。 ．電磁干擾(EMI)相容性。 ．故障偵測和防護。 在討論LED與電氣拓撲前，先來看看美國國家公路交通安全管理局和歐洲經濟委員會等主管機關，在法律上強制規定的各種訊號功能，如圖1所示。 圖1　後側照明系統元件 如圖1說明，汽車必須具備許多必要的後側訊號功能，這些功能都須要透過控制模組來執行。圖2是典型後側照明控制模組的配置圖，說明所有後側照明功能、電源供應器、通訊介面與LED驅動器子系統。 圖2　後側照明控制模組配置圖 後車燈LED基礎介紹 LED是啟動時會發光的P-N接面二極體。如同任何P-N接面二極體，LED是具備指數順向電流順向電壓(I-V)曲線的單向裝置，如圖3所示。 圖3　LED I-V曲線。 資料來源: http://lednique.com/current-voltage-relationships/ iv-curves/ 極端子間施加正極電壓，電流便會從陽極流至陰極，使LED發光。在陽極和陰極間施加的電壓稱為LED順向電壓，通常會在額定電流條件下進行測量。通過LED的順向電流越高，LED燈就越明亮，LED順向電壓也越高。不同顏色LED的順向電壓也不同。多數紅色和黃褐色LED的順向電壓為2V左右，白色LED的順向電壓則約是3V。 LED 照明光源優點 與白熾燈泡相比，LED的主要優點是其為較有效率的照明光源。照明光源的效率以每瓦特流明量來測量，代表每單位消耗電力的發光量。 一般來說，LED光源效率比白熾燈泡高出六倍(圖4)。 圖4　LED燈源與白熾燈泡的效率比較。 資料來源: https://commons.wikimedia.org/wiki/檔案：Electricity_use_by_lightbulb_type.svg LED不僅比傳統白熾燈泡有效率，燈泡壽命更是白熾燈泡的近42倍，並可輕鬆融入各種風格設計。傳統白熾燈每幾年就須更換，使用壽命通常只有1,200小時左右。LED的使用壽命可長至50,000小時以上，因此汽車LED燈不須更換即可提供比車輛整體更長的使用壽命。 從點式到表面式　LED車燈形狀多變 因為圓形燈殼的關係，傳統白熾燈有固定的形狀。LED照明光源的體積較小，代表汽車車燈形狀不一定需為傳統圓形。若使用多個LED，車燈設計就能有更多彈性，滿足各種實體設計需求；但在後車燈使用LED會以點狀視覺效果呈現。 由於LED燈輸出和照明方向十分容易控制，因此最新的後車燈運用多種光學方法，將點狀照明光源轉為表面式照明光源。 使用光導和擴散片是達成此轉換最常見的方法，但這種方法會降低光學效率，因此須採用高亮度LED或較多LED，以提升 LED亮度。 LED設計目標與挑戰 LED雖然有很多優點，但使其符合汽車規格的過程中也須面臨許多挑戰。汽車 LED 驅動器需求通常包含： ．廣泛的電壓範圍，必須兼顧9到16V、24V和40V情況。 ．操作環境溫度範圍需為-40℃~85℃。 ．產生動態車燈特性。 ．LED故障診斷。 ．電磁相容性(EMC)。 滿足汽車廣泛電壓範圍 LED驅動器設計必須能夠在汽車12V電瓶的廣泛電壓範圍中運作。在國際標準化組織(ISO)7637和ISO16750標準中，有說明LED驅動器必須承受的最常見汽車業12V電瓶電壓暫態要求。 汽車電瓶在正常運作情況下通常為9到16V。在此範圍中，照明輸出必須在所有溫度條件下符合所需法規要求。最近有一些車燈功能可在汽車電瓶電壓為6V時(車輛起止時的一般電壓)執行，例如方向燈。請注意，車輛起止時的啟動電壓分布會隨電瓶狀況和溫度而不同。當供應電壓低於6V時，後車燈通常不須保持運作狀態。但在室溫下進行跨接啟動時，電瓶電壓可上升至24V並維持一分鐘。 車燈功能必須能承受任何損害，並於恢復正常電壓時復原。當發生負載突降，電瓶會在交流發電機產生充電電流時中斷連接，其他負載則維持在交流發電機電路中。在此情況下，供應電壓在交流發電機受到抑制時最高可飆到36V並持續400ms。若發生負載突降，LED驅動器必須能夠於恢復正常電壓時復原。 散熱考量為基本要素 汽車應用必須能夠承受很大的溫度範圍。且車燈電路須在高達85℃的環境溫度下運作。此最高溫度包含因封閉燈自熱所造成的燈殼溫度上升。高環境溫度代表 LED後側燈面臨兩個挑戰：控制LED和 LED驅動器的接點溫度。 若接點溫度超過最高上限，就會使LED使用壽命大幅下降。若LED驅動器為定電流驅動器，公式1可根據環境溫度、熱電阻和功率消耗量，概略估計LED接點溫度的上升幅度，其中θja為封裝熱電阻，P為功率消耗。 T接點=T環境+θjaP     公式(1) LED驅動器也須處理熱考量。由於後車燈採用的定電流驅動器多為線性LED驅動器積體電路(IC)，公式2將驅動器的壓降乘上總電流，來估計LED驅動器IC的功率消耗。其中∆V是LED驅動器的電壓，I是LED順向電流。 P= ∆V*I    公式(2) 若輸入電壓為正常最大運作電壓(例如16V)，而輸出LED電壓為最小運作電壓(例如各具1.9V順向電壓的兩個LED)，最大環境溫度將會是85℃。一般線性LED驅動器在裝置中必須具備2W功率消耗，才能滿足汽車應用。透過公式1和2，即可利用θja估計最大LED電流。 獨立驅動LED像素實現彈性設計 動態後車燈可提供彈性的設計風格選擇，並提供迎賓訊息等個人化功能。隨著新車燈設計採用複雜動態，後車燈設計也從LED串列轉為獨立驅動LED像素。圖5說明從串列LED控制到獨立像素控制的轉換過程。 圖5　以單一LED驅動器控制LED串列與獨立控制各LED。 單一像素控制架構需要更精密的LED驅動與控制方式。目前多數後車燈皆採用微控制器通用輸入/輸出，或使用序列周邊介面或I2C等簡易介面，但如果車燈設計範圍包含整個車輛後側，簡單的介面架構可能無法滿足這類大型後車燈的需求。像素化LED控制可能需要更複雜的數位介面架構，如圖6所示。這些系統中的通訊介面必須符合EMC標準，並且不能產生通訊誤差。 圖6　像素化後側照明的數位介面LED驅動模組架構 LED故障診斷確保車燈運作正常 汽車車燈在使用壽命期間必須符合相關照明輸出規定。但LED也容易發生故障。雖然LED的預期使用壽命比車輛最高運作時數長出許多，但LED仍易受到隨機故障影響。80%的隨機LED故障為開路故障，另外不到20%為短路故障。 偵測傳統白熾燈泡型車燈故障十分容易，因為故障燈泡會整個熄滅。以LED為基礎的車燈在多個串列中使用多個LED，由於非故障的LED會繼續運作，因此並不容易偵測到單一LED開路故障或短路。 在單一LED串列中偵測LED開路相對較為簡單，單一LED短路則較不易判斷。以三串列LED為例。若發生單一LED短路，簡易LED驅動器並無法區別三串列LED與雙串列LED。由於法規要求車燈輸出的前200ms必須達特定亮度，因此在動態方向燈上偵測此類故障是非常重要的。只要發生一個LED短路，車燈便無法符合亮度要求，因此必須透過精密的故障偵測技術來達到「一組故障全部故障」效果。換句話說，只要單一LED故障就會讓整個車燈熄滅。 另外，現在許多車輛重新將後擋玻璃除霧器作為天線使用，或者在車頂另外使用獨立天線。為了避免與天線產生干擾，汽車後車燈的EMC要求非常嚴格。因此LED驅動器必須具備低放射與高抗擾性。在後側照明使用線性LED驅動器可簡化EMC後側照明設計。通常會以國際無線電干擾特別委員會(CISPR)25等排放標準，以及ISO 11452-5大電流注入標準等抗擾性標準來測試後車燈系統。 除此之外，後側照明LED驅動器拓撲為單級或雙級。圖7中的單級拓撲採用單一線性LED驅動器，圖8中的雙級拓撲則使用電壓穩壓器和LED驅動器。 圖7　單級LED驅動器 圖8　雙級LED驅動器 線性LED驅動器可能的電路拓撲為離散電路、電阻器與電晶體，如圖9所示。公式3為計算LED電流的方式： 圖9　離散LED驅動器 ILED = Vin–Vf(LED) 公式(3) 此電路雖然執行容易，但也有許多缺點。由於LED I-V特性和溫度變化，LED電流並不固定。此外，電路並無診斷功能。最後，管理電路中的熱能必須執行電阻器和電晶體並聯，將元件中的功率消耗隔離，避免單一元件因過熱而故障。 與離散LED驅動器相比，LED驅動器IC有許多優點。驅動器IC在任何輸入電壓下都可產生定電流，並可執行內部診斷以達「一組故障全部故障」效果。驅動器IC也會執行熱保護機制特性，當LED溫度超出特定限制，便會減少LED中的電流。減少LED電流會減少功率消耗，減緩接點溫度上升速度(參考公式1)，進而避免造成 LED損害。 後車燈通常採用線性LED驅動器，高電流應用有時則會使用單級切換LED驅動器。執行時EMC挑戰會增加，並且需要展頻等創新技術來減少放射。 兩種車燈調光方式 在須要進行尾燈或煞車燈調光的情況下，LED設計人員會採用兩種方式：類比調光和數位調光。類比調光可減少LED中的電流，進而減少光輸入，達到調光目的。數位調光(又稱為脈衝寬度調變(PWM)調光)利用PWM來進行LED驅動器輸出電流與零電流間的電流調變。因此會降低平均光輸出，產生經過調光的輸出。 類比調光可做為調光方式及提升設計同質性的方法，透過校驗各LED中的電流來達到一致光度。但由於LED是在額定電流下進行調光，減少驅動電流會減少LED 間的光度差異，因此會產生同質性的問題。低電流下的電流準確性對同質設計來說非常重要。大多數的類比調光比都會限制在20：1以下。 若為數位調光，PWM即使在低工作週期下都很準確。 光度不匹配的情況幾乎可忽略，因此非常適合高精度調光。數位調光必須具備PWM產生器，可獨立透過555定時器或微控制器來達成。動態車燈較常使用數位調光，因為較易以韌體進行控制。 後車燈照明未來演變 為了滿足市場對訊號、風格與個人化的進階需求，汽車後側照明系統已有大幅度演進。這些改變使系統變得更加複雜並需要LED驅動器，也為工程師帶來電子設計挑戰，包含： ．更高的電源需求。 ．散熱管理。 ．EMI相容性。 ．故障偵測和防護。 未來客製市場也會增加這方面的需求。此外在不遠的將來，路上交通將會混合自動車輛、傳統車輛與行人，此情況下更提升了汽車照明的重要性，後車燈市場並不會消失。 (本文作者為德州儀器車身電子元件與照明總經理)

例如，現今智慧型手機、電腦和電視所使用的電子顯示器能夠顯示數百萬種顏色。電子裝置製造業者已能掌握環境光顏色對顯示器感知顏色的影響，且了解如何根據不斷變化的場景光源動態改變這些顏色。本文將討論白平衡技術的效益，以及其對於螢幕顯示顏色的真實性和準確性的顯著影響。 光源變化影響人眼顏色感知 光源，也就是環境光的光譜含量，會影響人眼對被觀察物體的顏色感知。物體被放在中午的日光下，則人眼會看到藍色色調被強化。原因在於，此時的日光是來自於陽光和天光的獨特組合。在白熾燈泡(相關色溫可能為2700K)的人工照明環境中，人眼看到的相同物體會顯得更有金黃色調。各種光源的光譜含量比較如圖1所示。 圖1　各種標準國際照明委員會(CIE)光源的光譜功率分布。 圖片來源：SchwartzD 當在不同光照條件下觀看印刷在紙上的圖像時，眼睛易於察覺色彩隨著光源變化而有不同的效果，然而，顯示器不是以這種方式工作。在環境光感測器被普遍整合至智慧型手機和筆記型電腦之前，顯示器的控制器並未考慮顯示器被觀看時的環境光特性。基於這個理由，顯示器是固定預設白點色溫6500K的液晶顯示器(LCD)，最近則有有機發光二極體(OLED)螢幕。6,500K是由國際照明委員會(CIE)產業標準機構所明定，如圖1所示的D65參考光源，其相關色溫(CCT)值類似於明亮的正午日光，藍色部分在光譜功率分布中占有極大比例。 這意味著，在與正午陽光相同的環境條件下，顯示器螢幕上的圖像顯示方式，非常相似於印刷在紙張上的相同圖像的呈現方式。螢幕顯示和印刷圖像都偏藍色。但是，在偏向暖光的照明環境，例如暖白色3,000K LED下觀看時，印刷圖像看起來比較橙黃色，這是因為光源具有更大的紅色/黃色光譜部分，藍色部分較小。沒有調整顯示器白點的強大方法，電子產品製造商僅針對其顯示器提供一個固定的D65白點預設選擇 ，如此就造成在螢幕上呈現的圖像具有強烈藍色色調，與之前相同。 印刷閱讀與顯示器閱讀之差異 閱讀紙張印刷內容時，人類可以閱讀很長時間，眼睛的壓力最小。在具有固定D65白點的顯示器觀看相同內容，顯示器發出的大量藍光會產生不利影響，導致數位用眼過勞，並影響人們的良好睡眠品質。 智慧型手機市場近期成長趨緩，希望創造產品差異化的手機OEM業者，現在可以提供一種被稱為「紙張式(Paper Like)」閱讀的顯示器新功能，作法是將顯示器的白點改變至較溫暖的色溫。新型高精度XYZ色彩感測器最近開始供應，這讓紙張式閱讀得以實現，此一新型感測器具有最佳光環境色溫測量功能，用於調整顯示器的白點(從D65冷藍色到暖白色)。 不過，紙張式閱讀可以最大限度地減少數位用眼疲勞，此外，在睡眠前幾小時自動將顯示器調整到較暖的白點，能為用戶帶來生理上的好處。科學已證明人眼的光學生物效應，以及接收藍光如何刺激喚醒時間的生理機制。科學研究證明，藍光可以抑制褪黑激素的產生，而褪黑激素是人體的天然鬆弛劑，有助於人們獲得良好的睡眠。缺乏褪黑激素使人感到清醒，這可能會影響身體的晝夜節律週期。 XYZ色彩科學已可用於量產紙張 利用現代光學濾波器技術，我們現在能以適合消費電子應用的成本，採用濾色器來匹配人眼的精度。電子製造商已有能力採用XYZ彩色濾光片，進而量產紙張式技術。這些濾光器直接沉積在光學感測器產品的裸晶片上。不像傳統的RGB色彩感測器提供±10%的CCT精度，CIE XYZ彩色濾光片的精度優於±1~5%。CCT精度需求源於1931年發展的色彩空間標準，稱為CIE xy色度圖(圖2)。 圖2　標準CIE色度圖說明 人造光源往往採用較暖的色溫，住宅照明為最溫暖的2,700~3,100K。辦公室照明通常是3,100~4,500K。日光色溫可以從中午的6,000K，到日出前，或是日落之後無雲陰涼處的15,000K。若我們觀看的顯示器白點色溫不同於周圍環境，則我們對各種色彩的感知會受到影響。 在暖光燈光環境中觀看具有中性或冷白點的彩色顯示器，相較於在冷光照明環境中觀看，前者看起來更藍。調整顯示器的白點以匹配環境照明，將盡可能最小化(如果不能消除)此影響。CIE色度圖擷取電磁能譜中380nm至780nm之間的可見光波長，這是人眼能感知的範圍。圖3顯示了人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。   圖3　人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。 這種反應是由視網膜的短、中和長型錐狀細胞的神經反應所驅動，對可見光譜的紅色、綠色或藍色部分波長的敏感度最高。錐狀細胞的波長靈敏度跨越相當大的範圍並相互重疊；為簡單起見，將每條曲線歸一在此圖。視網膜中三種錐狀細胞的相對反應，足以解釋色彩視覺，以及色彩可以透過多組色彩匹配函數來表徵，所有色彩匹配函數都是錐狀細胞反應函數的線性變換，且是透過彼此延伸。 圖4顯示了中(M)波長反應如何被定義為適光視圖(Photopic View)，並且被用於定義照度(In Lux)，而這是因為綠色波長最接近人類所見；人類對綠色更敏感，對紅色和藍色較不敏感。   圖4　綠色通道適光反應最接近人類所見，來自CIE適光光度函數。 測量平面上方從各個方向照射至表面某個點上的所有可見光總量，這就是照度(Lux)，這是亮度的度量單位。XYZ三色刺激(Tristimulus)人眼反應(圖5)被定義而且被稱為CIE1931 2Ｏ標準觀測者(Standard Ob-server)，並且用於連結可見光譜波長，以及用於色彩視覺的生理感知顏色。   圖5　CIE1931 2O標準觀測者色彩匹配函數或XYZ 三色刺激(Tristimulus)人眼反應 色彩可分為亮度(或照度，以Lux測量)和色度(以xy色度參數測量)。圖2的色度圖是一個工具，用以指名人眼如何經驗特定光譜的光線。它沒有指定物件的顏色，因為在觀看物件時觀察到的色度，取決於用戶周圍的環境光。 人類視覺系統 人類的視覺系統非常複雜，它與我們大腦的視覺處理引擎，也就是視覺皮層緊密耦合。即使光照條件發生變化，人腦也能夠識別物體的顏色。我們看待色彩的方式並不固定；相反的，它是一種相對的感知。當光源類型改變時，人類會改變他們對所觀看顏色的「感知」，因為物體的表面、光源類型和我們的眼睛之間存在動態關係。 我們的視覺系統可以調整長、中、短錐狀細胞對光譜含量的反應。人眼具有色彩適應機制，以了解不同的環境光條件，如此一來，我們能做出反應，使白色和灰色物體在不同的環境光照條件下看起來仍是白色和灰色的。色度自適應原理的光學增益調整如圖6所示。   圖6　色度適應 提供光譜功率分布(SPD)反應的XYZ色彩感測器如圖7所示。   圖7　TCS3430的XYZ光譜功率分布 XYZ光譜反應是基於人眼，以此提供關於人們如何感知顏色的更準確的資訊。雖然有將RGB值轉換為XYZ的方法，但RGB光譜反應函數並不是精確的色彩匹配函數，因此轉換產生的數值與人眼感知色彩的方式並不匹配。透過緊密匹配人眼的色彩反應，來自XYZ感測器的數據能以一種與人眼相似的方式偵測色彩差異。使用高精度XYZ色彩感測器輸出測量入射光的CIE XYZ三色刺激值，可在測量環境光照條件時提供最佳結果。在圖8中，我們顯示了CIE色度圖中的普朗克軌跡(Lanckian Locus)。   圖8　CIE1931色彩空間色度圖，圖解普朗克軌跡 在圖示中，中間的實曲線被稱為普朗克軌跡。軌跡上的每個點對應於黑體色溫以及相應的CCT值。將顯示器的白點調整至環境色溫，假定顯示器實際知道環境光的色溫。由於螢光燈和LED光源並不總是完全落在這個普朗克軌跡上，因此最好將白點驅動到環境照明的實際色度座標值，而不是默認為普朗克軌跡上的相對應色溫。 自適應顯示技術改變色彩反射感知 圖9說明這種自適應顯示技術的工作原理。在下面的燈箱中，兩支智慧手機嵌入至兩張相同的圖片中。透過改變光源來展示紙張式技術。這樣做也會改變我們對反射色彩的感知。   圖9　紙張式技術展示，顯示在較溫暖的照明環境中，藍光非常明顯 在圖示中，右側的顯示器缺少XYZ色彩感測器並連續發出D65光。左側顯示器有一個TCS3430色彩感測器，可精確測量環境光照條件的任何變化，並使用顯示演算法(圖10)，讓顯示器呈現類似印刷紙張的效果。   圖10　環境測量色溫的RGB乘數值建議。 此顯示器具有8位元RGB乘數值，因此y軸上的數值範圍建議為0到256(因為28 =256)，x軸上的值是來自XYZ色彩感測器的色溫測量值。從圖10可以看出，針對6500K的測量色溫，建議的RGB主顯示驅動器數值應設定為256紅色、256綠色和256藍色，將顯示器驅動到D65白點。例如，當從2,700K白熾燈測量到較低色溫時，應顯示256紅色、195綠色和130藍色。 當6,500K燈泡點亮時，左側顯示器測量環境光，應用演算法推薦RGB值256, 256, 256，將顯示器驅動至與右側顯示器完全相同的白點。結果是兩個顯示器看起來相同。印刷的背板顏色完全融入兩個顯示器的顯示內容。 當關閉6,500K燈泡並開啟溫度較高的3,000K螢光燈時，環境光線會變暖，左側顯示螢幕會自動調整到較暖的白點以匹配新的3,000K環境光線。由於藍光成分減少，印刷圖像看起來更為橙黃色。我們觀看印刷圖片所感知的顏色略有變化。沒有色彩感測器的顯示器持續顯示相同的偏藍D65白點，在暖光的3,000K環境中非常明顯。在這種情況下，很明顯地，右側顯示器看起來更藍，而左側顯示器針對3,000K照明環境自動調整白點，使其顯示器產生類似印刷的可讀性。 關閉3,000K燈泡並開啟更溫暖的2,700K白熾燈，由於藍光含量較少，環境光線變得更加溫暖，更加黃橙色。此外，左顯示器和我們對印刷圖像內容的感知顏色進一步改變。左側顯示器自動將其白點調整為有利於2,700K環境照明環境的白點，其中右側D65白點顯示器發出相同的偏藍的藍光內容。 光學濾波器技術大增減少用眼疲勞 傳統上，智慧型手機、電腦和電視OEM製造商為顯示器提供固定白點，並針對單一預設白點提供手動或當天時間設定，但是效果有限，因為它無法涵蓋不同的照明條件。幸運的是，透過光學濾波器技術的進步，能以大量消費電子市場可接受的價格提供人眼水準的精度，這是一種能夠自動測量環境照明條件的好方法，讓顯示器可以呈現紙張式的觀看效果。 當我們在反射光環境中，以及在電子顯示器上觀看內容時，環境照明條件的改變將顯著影響我們對觀看色彩的感知。現在，科學已證明具有固定D65白點的顯示器對我們的身體有著生理作用影響。在環境照明條件改變下，自動將顯示器白點調整為最佳化設定，已被證明能提供生理上的好處，可以最大幅減少數位用眼疲勞，同時幫助我們在夜間擁有更佳的睡眠品質。 (本文作者為ams進階光學解決方案部門的資深產品行銷經理)

為解決一般原生藍色微發光二極體(Micro Light Emitting Diode, MicroLED)進行顏色轉換時所產生的顏色損失問題，Plessey開發出原生綠色MicroLED，使用其專有的2D Planar Gallium Nitride矽基氮化鎵(GaN-on-Si)技術，無需色彩轉換技術即可發出綠光。 LED製造商為了要產生綠光，通常會將磷光體(Phosphors)或量子點(Quantum Dot)等轉換材料應用於原生藍光LED。然後這些材料會將短波長(通常為450nm)的藍光轉換為紅色或綠色波長，效率大約為10~30%。Plessey開發了專有的二維矽平面氮化鎵技術，原生綠色MicroLED無需色彩轉換技術即可發出綠光。 Plessey的原生綠色MicroLED是使用其專有的氮化鎵技術，由氮化鎵本身向外延伸形成的，實際上運作方式類似於原生藍色LED。但其主要區別在於MicroLED量子井(Quantum Well)結構中的銦(Indium)含量。由於不須要進行顏色轉換過程，便不會造成顏色損失。在這樣的情況下，原始綠色發射可以比一般MicroLED的亮數個等級。由於綠色波長為530nm，非常適合彩色顯示器。此外值得一提的是，綠色發射也能表現出優異的波長穩定性與電流密度。 Plessey執行長Mike Snaith表示，Plessey的原生藍色MicroLED已經非常高效，然而透過Plessey此次的技術創新，已經開發出高性能的原生綠色MicroLED，將為Plessey的客戶提供新一代的顯示和照明元件。Plessey的綠色原生GaN比起採用綠色轉換技術的標準藍色設備能夠提供更高的亮度。

盛群(Holtek)針對LED矩陣市場，新推出HT16D31x及HT16D33x兩款小封裝、多功能、定電流型的LED驅動晶片。HT16D33x採用32QFN(4mmx4mm)封裝、最多可驅動256顆LED；HT16D31x採用16QFN(3mmx3mm)封裝、最多可驅動72顆LED；內建PWM調光效果、呼吸燈效、滾動功能，適合在情境燈、補光燈、電競鍵盤、律動燈、藍芽LED喇叭、手機背光及家電之炫彩燈效面板的應用。 此系列採用序列介面，HT16D31A和HT16D33A為3-Wire SPI介面；HT16D31B和HT16D33B採新設計I2C介面，只需一根位址線、最多可串4顆IC。HT16D33x支援16x16/12x12/(9x10+9x10)點三種顯示模式、HT16D31x可顯示8x9點。內建LED短路偵測及過溫保護，避免產品功能失效或燒毀問題。每一輸出通道有16檔電流可設定、最大提供45mA的定電流輸出；整體亮度有256階可調，每一輸出還有256階PWM調光、RGB全彩時可達到一千六百萬色。每一輸出還可設定閃爍或漸亮/漸暗的燈效，可產生螢火蟲或琉璃燈效。 此系列內建Page Frame RAM、單色模式最多有16幀，可加速動畫顯示；自動滾動的功能、協助客戶設計動畫效果；提供QFN小封裝、適合高整合度的小型產品應用，HT16D33x也提供便於焊接的28SSOP封裝。 Holtek的多彩燈效LED系列包含已經量產的HT16D35x及新推出的HT16D33x和 HT16D31x。為協助客戶快速開發此系列，提供專用圖形編輯程式，User可以在電腦上使用人性化工具自行編輯圖案、顏色、設定滾動及呼吸燈等等指令，然後在螢幕上觀看模擬的顯示效果。另提供EV Board及LED workshop開發系統，可將User編輯好的圖形及指令轉成HT8 MCU的Code、並燒錄到Holtek MCU裡。

ROHM推出1608尺寸(1.6×0.8mm)的白光晶片LED「SMLD12WBN1W」，該LED適用於以溫控器為首的工控裝置和各種小型裝置等的顯示面板，不僅壽命長，容易安裝，還具備高可靠性。 此次研發的晶片LED，封膠用的封裝樹脂採用新材料，在通電試驗中，成功維持100%的亮度。以相同的光通量進行比較時，壽命比傳統矽樹脂產品延長達20倍左右。 另外，在直接影響安裝性的封膠強度方面，與矽樹脂產品相比，封膠強度改善了約25倍，可顯著減少安裝不良問題，也由於這款確保高可靠性的白光晶片LED，還可長期維持應用設計的靈活性。 近年來，為了提高設計的靈活性和能見度，作為工控裝置和消費電子裝置中顯示面板的數位顯示和指示燈光源，使用小型白光LED的應用案例持續增加，尤其是在工控裝置市場，對於具有高可靠性、即使使用超過10年，也不會發生因通電導致光衰問題的LED需求不斷增加。而另一方面，白光晶片LED的封膠部分傳統多採用環氧樹脂或矽樹脂，在對可靠性要求較高的應用中，存在著光衰和安裝時封膠強度方面的課題。 ROHM之前擁有從紅色到綠色的1608尺寸晶片LED產品系列，為滿足市場需求而加快白光晶片LED的研發。此次，透過採用兼具環氧樹脂和矽樹脂優異性的新樹脂材質，在1608尺寸的白光晶片LED領域，成功確保了高可靠性。 在通電測試中，成功保持100％亮度，過去工控裝置的顯示面板所使用紅色和綠色 LED，不容易發生因光能所引發的樹脂黃變，所以光衰並不是太大的問題。然而小型封膠型LED一般多採用封膠硬度高的環氧樹脂，若使用如白光等短波長LED時，就會有因光能所導致的樹脂黃變課題。 對於光衰問題，透過採用LED 照明中使用的矽樹脂可以改善，然而矽樹脂材料的封膠層容易從PCB板上剝離，另外小型LED無法採取增加反射層等加強安裝性的對策，使封膠部位的損壞成為課題。 透過採用新樹脂，在直接影響安裝性的封膠強度方面，與矽樹脂產品相比，在高溫條件(Ta=150℃)下封膠強度改善了約25倍。這使得安裝時不容易發生不良問題，從而可實現優異的安裝性。

依據Freedonia Group研究報告預測，到2025年，美國智慧照明系統銷售額將可望達到44億美元(圖1)。智慧照明成長趨勢的三大驅動因素為，第一，更廣泛的智慧科技和物聯網市場的快速成長需求，包括智慧家庭裝置的興起、智慧城市基礎建設需求及非住宅樓宇自動化的普及等。第二，無線、遠端、語音控制等智慧照明方式，讓消費者容易了解智慧照明並產生興趣。第三，對於非住宅應用領域，節能是智慧照明最大特點之一。 圖1　美國智慧照明市場 智慧照明控制裝置，包括任何與光源或燈具分開的照明專用控制設備(例如中央照明系統控制箱等)，在2017年已經占智慧照明銷售總額的63%，市場前景十分看好。未來智慧照明應用領域，將分成非住宅與住宅應用。其中，非住宅應用的關鍵在於節能，將運用由感測器所組成的大型感測網路和智慧分析，大幅降低能耗。至於對普通用戶來說，智慧照明主要吸引力為其所帶來的便利性。未來所有的大樓設計，在初始興建時便整合智慧照明功能，進而更快速推動樓宇自動化和物聯網世界的來臨。 高效節能/維護便利是智慧照明控制系統主要優點 由於智慧照明控制系統的需求量很大，隨著LED技術的飛躍，燈光控制的重要性也越趨重要。未來的商業建築將以數位化(Digital)燈光控制來建構。除了因智慧照明控制可藉由轉換到LED技術，而降低能源消耗達30%~60％。且在轉換過程中，其額外投資成本可在2年內獲得回收。第二個原因在於除了節約能源之外，也大大減少操作維護工作量，而諸如故障情況、運行時數和能源消耗等運行參數，也都可為各別燈具集中存取。 因應智慧照明需求，在過去幾年中，協定數位化可定址照明介面(Digital Addressable Lighting Interface, DALI)已日漸風行。使用該匯流排系統，可減少安裝過程中的配線耗損，並且經由靈活組合照明器具，能將所有優點功能發揮得淋漓盡致。此外還具備其他功能特色，例如經由對照明場景的預先設定、可監測燈光、同步調節燈具的精確亮度，或控制照明器具等，以增強系統功能。 DALI的特色即為簡易布線和高度可靠性。除了原本用於供電的三條電線之外，僅須使用兩條額外的附加線，可延伸至300公尺通訊距離。接到安定器的連線也毋須考慮其極性，DALI每通道可支援最多64個安定器，且可區分為群組。每個通道最多可容許16個群組。 導入智慧照明　機場節能效果顯著 接下來以簡單智慧照明控制案例作為說明。以台達子公司LOYTEC為例，在2013年便於曼徹斯特機場第2航廈，利用恆光照明控制及人員偵測功能整合設置了一個現代化的DALI照明系統，之後更進一步延伸到機場第1和第3航廈公共區域(圖2)。 圖2　英國曼徹斯特機場節能成效照明十分卓越 節能第一步便是全面更換LED照明，節能降低六成。但再加裝L-DALI照明控制系統後，節能成效更加卓越。首先，在所有區域安裝L-DALI人員偵測/日光感測器，再搭配智慧場域處理器，一旦區域/閘道無人使用時，照明會自動關閉，並引用自然光來減少能耗。尤其主要特色在於2014年後整合機場航班訊息系統(Chroma)，使照明設定可以基於實際航班的變動狀況機動調整，達到照明效率的最大化，這樣照明控制技術，也遠超過於原本預設節能成效。最高可節省89%的能耗，三個航廈合計，一年相當於節省700萬度電。 此外，系統可提供個別照明裝置詳細的管理資訊，如安裝日期、調光水平、故障狀況以及整體能耗。系統所提供的資料，也成為曼徹斯特機場資產優化過程中的關鍵支援工具，而網頁介面也是管理者管理維護的最佳幫手。 靈活運用不同照明控制產品/控制策略實現節能目標 在上述案例中，L-DALI控制器是整個系統的核心。根據型號不同，L-DALI可控制多達4個DALI通道，這就意味著可控制總數多達256個燈具。內置DALI匯流排可為供電之用，更可節省控制櫃的成本和空間。此外，使用液晶顯示螢幕上的旋鈕即可進行簡單設置以及IP位址配置，並對連接的DALI通道進行簡易檢查，在現場端十分方便。更由於本機端所具操作功能，諸如更換故障DALI設備等維護任務，通常只需內部技術人員即可完成，毋須使用任何電腦設備(PC或筆記本電腦)。 L-DALI控制器整合照明應用(圖3)，俱已包含所有標準應用場景，包括人員偵測、恆照度控制、樓道燈控、排程控制等等。提供不同參數可允許靈活調配定制化的解決方案。更重要的是，可結合不同控制規畫，例如：可根據於一天中不同的時間需求來做不同的調整。控制器也負責監測DALI設備。如果設備出現故障或者回報錯誤，例如：燈泡故障，就會產生警報並予記錄。另外，能耗及作業時數也會列入計算。同時也納入其他控制器廣受歡迎的功能，諸如：警報、歷史趨勢、事件驅動的電子郵件等等，也都可供利用。 圖3　LOYTEC照明控制系統架構圖 除了控制器之外，照明應用的感測器和致動器也十分重要。所有的L-DALI感測器和致動器，都是經由DALI匯流排與L-DALI控制器相連接的。由於裝置可從DALI匯流排中取得電力，故毋須額外供電。 因此，布線不但容易且更具成本效益。LDALI-MS2多重感測器則可提供照度及恆光控制所需的人員偵測訊息。最大安裝高度5公尺，典型涵蓋面積38平方公尺(安裝高度3公尺)，對大多數應用場景而言，多重感測器十分具有成本效益。即使有任何特殊需求，諸如庫房需較高安裝高度，或任何其它指定需求，仍然無礙於其使用它大廠(歐司朗、飛利浦、泰邦HTS、銳高等等)的各種DALI感測器。 使用LDALI-BM2按鈕式耦合器，可以簡單、經濟、有效的整合自訂照明按鈕和開關到DALI系統之上。每具LDALI-BM2具有四個輸入。按鈕操作所觸發的動作則可以靈活的予以配置(調光、開/關、場景調用、變化色溫等等)。按鈕也可設定為手動覆寫任何自動操作。最後，LDAL-RM3繼電模組可被整合至非DALI燈具及其他L-DALI與燈具所共同控制的負載。典型的應用場景是廁所和盥洗室的風扇，或是分隔牆和根據現場需求而上拉或下移屏幕的驅動馬達。 此外，裝置調試可藉由一個網頁介面就完成(圖4)，無論該網頁介面是整合在控制器上或是整合在PC配置軟件上。後者還能夠讓使用者進行系統的離線預配置，所有照明應用的參數、群組任務、場景和連線的設置，皆可事先在辦公室內裡使用PC予以執行。因此，現場調試僅需針對實體裝置部份進行分派即可完成。各種設定精靈及使用者介面也會從客戶反饋中持續改善，降低維護時間及管理人力，因為，現場調試到最後往往僅能使用少量時間來進行(圖5)。 圖4　簡單的維護任務可在設備上直接執行 圖5　經由PC軟體或友善的網路介面進行裝置調試 此外，還可經由LWEB-802所提供的HTML5網頁使用者介面來操作。一旦實施自動操作的話，此類網頁為基礎的虛擬房間控制單元提供自動模式足可涵蓋基本功能，手動模式則可經由辦公室PC、平板、智慧手機操作，也可免除機械開關和觸控螢幕等配備成本(圖6)。對於較小的專案提供了網頁版等多種操作介面的選擇，然而較大的專案則仍建議採用中央主機電腦(例如LWEB-900)為佳，L-WEB應用程式可以直接常駐於L-DALI控制器中。 圖6　系統提供廣泛的操作介面選擇 可視化功能可以清楚顯示照明系統的狀態，而其參數、控制規畫及排程器則可輕鬆變更參數配置。當室內使用狀況發生變化，而須依據用電量及使用者舒適度進行調整時，此一特點也是極適用且重要的。系統發出的警報既可以在樓宇管理系統的前端進行顯示，也可以電子郵件發送。 系統參數均可儲存於歷史趨勢日誌，並使用於分析報告之中。而對系統相連接的DALI燈具狀態報告，以及監測燈具運行時數，方便計劃其維護週期。且在報表功能的幫助下，收集到的資料將以能耗報告、室內使用統計或維護列表的形式來加以呈現。系統內各層級皆具高效率備份及還原功能，無論是L-DALI控制器或DALI裝置，保證了系統具有高度可用性。一旦更換故障零件，原設置配置也可輕鬆以最後備份來進行還原。因此，這些任務僅需內部技師即可達成，又使得維護成本得以最小化。 支援多通訊/結合第三方系統　實現智慧照明整合 要實現智慧照明，控制器須提供樓宇自動化系統所有常用通訊介面，幫助連結其他系統。所有的數值和參數都可藉由如：BACnet、Lon-Mark、OPC和網頁服務等標準化協議予以存取。支援多種通訊協議也開拓了無數的可能性，包含： 1.照明系統可無縫整合到其他系統(如暖通空調，遮陽簾控制和存取控制)以及樓宇管理系統。例如多重感測器所提供訊息，也可以提供給自動化系統中其他不同的部分利用(如暖通空調和存取控制)。反之亦然，這項訊息也可由樓宇自動化系統的其他感測器或來源所提供(例如存取控制)。同樣的，連接到LDALI-BM2的按鈕也可用於控制其它子系統(如遮陽簾)，或者連接到I/O模組(BACnet、LonMark)的按鈕，或整合到照明應用中。 2.所有房間功能的可視化和操作，乃是藉由一致性的使用者介面來達成的，無論其使用的是網頁操作、觸控螢幕或樓宇管理系統的可視化應用，皆可任其自由運用。軟硬體資源共享不僅節省金錢，更顯著提高使用者滿意度。畢竟，應該沒有人會願意安裝好幾個不同的智慧手機應用程式來控制燈光和室溫。 3.DALI感測器訊息以及調光數值可在L-DALI控制器之間進行共享。因此，照明應用是可以跨越多個控制器來實現的。 總上所述，因應照明控制市場需求的爆發性成長，現今更換LED照明燈具已經基本節能策略，如何更上層樓，幫助業者針對其產業屬性來尋找更深入的節能潛力點，透過更多元、有效的不同照明控制方式及策略來做節能，藉以協助企業節省更多能耗成本及人力管理，仍是許多照明控制廠商的目標，希冀持續推廣智慧照明好處，讓智慧照明更上層樓。 (本文作者為LOYTEC產品經理Dipl.-Ing. Jörg Bröker，由台達樓宇自動化解決方案事業群行銷部編輯)

意法半導體(ST)整合最先進的LED控制技術與先進的功率技術，開發出一個全新多合一的LED控制晶片，使未來的燈具能夠節省更多電能，並提供更優質的使用者體驗。 HVLED001B控制器可簡化LED照明模組設計，可最大限度地提升所有調光之效能，並確保亮度控制更平順。意法半導體主要客戶、照明創新者－意大利TCI採用這款新控制器設計新產品，提升燈具節能效果、安全性和可用性。 TCI技術發言人表示，研發符合最新照明規定和市場需求的中高功率LED燈具絕非易事。ST新款LED驅動器使我們能夠達到高性能的目標，利用晶片內建功能簡化產品設計，同時降低物料清單成本。LED上電速度非常快，耗時不到0.4秒，即使在較低的調光，均能保持非常高的效能，而傳統驅動器無法保持這一優勢。 意法半導體執行副總裁暨類比元件、MEMS和感測器事業群類比元件產品部總經理Matteo Lo Presti則表示，除了能在所有運作條件下進一步提升效能外，最新的燈具還必須支援智慧電網管理和電源品質，提高功率因數並減少諧波失真。HVLED001B讓這些目標成為可能，同時改善並提升啟動性能和調光精度。HVLED001B是意法半導體的第二代LED驅動器，包含高壓啟動電路和感應電路，可簡化驅動器與AC線路的連接。

在LED技術出現之前，大多數照明應用都是根據使用的燈泡類型及耗電量來定義，但LED改變此觀點。如今，同樣的基本固態技術適用於低、中、高功率照明應用，提供更高能效與更好的亮度。 在高功率細分市場，如螢光燈管、路燈與泛光照明(Flood Lighting)的標準嵌入式燈具，以及其他形式的戶外照明，可能節省大量的電力。當考量到連接的方便性與可調輸出位準時，LED照明的實務案例就很難被取代。由於高能效，大多數LED照明應用可以用在小於100W的功率級解決，這非常重要，因為會直接影響到所需的電源轉換器、LED控制器與LED驅動器的拓撲結構。 穩定電流為LED挑戰 基本上，除白熾燈泡(直接採用交流電源運行)以外，大多數燈都需要某種電源轉換。雖然LED照明採用正極或整流電源運行(Rectified Supply)，但其他大多數照明技術皆採用高壓/高頻的交流電源運行。因此通常有能量損失且能效低，但是對於同樣的亮度，LED消耗的功率要低得多，因此能夠採用低壓AC-DC電源。功率需求小於100W的燈通常採用單級返馳拓撲(Single-Stage Flyback Topology)。從交流轉換到直流電，同時提供恆定且穩定的電源，以減少閃爍，是從現有照明轉向LED的主要挑戰。 至少在短時間內，期許整個照明電路切換到直流電是不合理的，因此有必要為每個燈泡、燈具或嵌入式燈具開發轉換與驅動層級。最方便的方法，至少對使用者來說，是將這些元件整合到燈具中，或完美的整合到燈泡本身。 對於低於100W的應用，單級轉換器是最常見的拓撲結構(功率水準超過100W通常需要多級轉換器)。一個單級轉換器能涵蓋廣泛的應用，甚至是個別燈泡或打火機所需的極低功率。 在所有範例中常見的是需要提供功率因子校正(Power Factor Correction, PFC)與低總諧波失真率(Total Harmonic Distortion, THD)；這些因子現在都由政府立法，但實際標準可能因地區而異。取決於應用消耗的功率，PFC與THD是強制性的，許多製造商正關注替代方案，例如LED正取代省電燈泡(Compact Fluorescent Lamps, CFL)。這在現有的物理空間方面存在重大挑戰，因為所有的AC-DC轉換與LED控制器/驅動器功能都需要整合到通常只由燈泡本身占用的空間中(圖1)。 圖1　LED燈泡內部 PSR簡化變壓器設計 由於空間限制與立法要求，LED內部功率轉換的首選拓撲是採用初級調節回授控制(Primary Side Regulation, PSR)的單級返馳轉換器。這能透過使用比次級調節回授控制拓撲更少的元件與更小的電容器來實現，半導體製造商現在提供一系列的元件來滿足此項需求。 PSR的一個優點是不需要任何次級端回饋，簡化變壓器的設計，毋須光電隔離。所採用的調節類型對於實現PFC與THD目標也很重要。為滿足要求，製造商正轉向非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)。在這種模式下，儲存在變壓器中的電荷在交換電晶體(Switching Transistor)導通前完全耗盡，因此輸出二極體的電壓也達到零。這將造成沒有電流通過初級端或次級端的一段時間，即所謂的停滯時間(Dead Time)，因此這種返馳拓撲被命名為非連續。它的優點是整個二極體沒有損耗，在輸出功率較低的應用中，可以產生相對較小的變壓器。 但是，它容易受到漣波電流(Ripple Current)的影響，會導致損耗。 谷值切換(Valley Switching)是DCM的延伸，當輸出電壓的振鈴處於最低值時使電晶體導通。這發生在停滯時間(Dead...

德州儀器(TI)近日推出全新的LED系列驅動器，該系列驅動器整合了獨立的色彩混合、亮度控制和節約效率模式。LP5018、LP5024、LP5030及LP5036支援平滑、生動的色彩，並可降低電源功耗。 這些裝置屬於業界首創，可提供超越人耳聽力範圍的29-kHz暗度頻率(Dimming Frequency)，説明設計師設計可攜式電子裝置、建築自動化和應用等採用人機介面，消除暗光時耳朵通常會聽到的雜訊。另外，相較標準脈寬調變(PWM)解決方案，設計師藉由這些新裝置整合的12位元PWM產生器能夠更平滑地調節色彩與亮度。 TI LP50xx系列裝置整合了12位元PWM產生器，該產生器在高於人耳聽力頻率的範圍內運作，每個通道均為29 kHz，且在支援平滑、生動色彩時，仍能無聲頻噪聲。另外，整合式功率節約模式能夠大幅度將功耗從現有裝置常用的9 mA降到低至0.01 mA，顯著改善待機模式下的整體效率。18、24、30和36通道選項可實現獨立的色彩混合和亮度控制，同時三個整合、可程式的資料庫更能簡化軟體編碼與設計。