智慧照明熱潮興　LED產業點亮發展新契機

智慧照明熱潮興　LED產業點亮發展新契機
智慧照明應用快速興起。根據研調機構IHS及工研院產經中心(IEK)報告指出，2015年LED照明市場規模達400億美元，2019年預估將攀升至923億美元，相關產品滲透率達58.6%；其中，智慧照明拜廠商積極推動及技術發展日益成熟所賜，預估2019年市場規模可達143.53億美元。
 

為加速智慧照明應用普及並搶攻商機，相關半導體廠包括發光二極體(LED)、LED驅動晶片、電源晶片、微控制器(MCU)及無線連結晶片與模組等開發商，已致力研發性價比更好的解決方案，同時也與水平或垂直領域的協力廠商合作，以打造更高整合度設計方案，或提高客製化能力。另一方面，智慧照明結合室內定位技術或LED可見光通訊技術，亦是相關廠商加緊布局的新焦點。
 

落實人因照明願景　整合式系統設計躍主流
 

整合式系統架構將成智慧照明設計顯學。智慧照明商機龐大，引動各大照明廠商與系統廠動作頻頻。然而，隨著物聯網時代到來，智慧照明之發展已不再是單純的環境光源改變，打造一個可跟人互動的照明環境，才是智慧照明的最終目標。為此，跨領域、技術的整合式系統架構，將成智慧照明未來重點發展趨勢。
 

圖1　工研院電光系統所組長朱慕道表示，未來隨著智慧照明市場發展漸趨成熟，圍繞人的體驗的智慧化研究將成主流。

工研院電光系統所組長朱慕道(圖1)表示，未來智慧照明，將不僅僅是單純環境的光源改變，還會進一步的演變成以人為主，跟人互動的照明環境，也就是所謂的人因照明的設計。為此，從系統整合概念出發，提供解決方案供消費者使用將會是一個必然趨勢；藉由跨領域整合LED智慧光模組、智慧閘道器、照明雲，以及光環境設計等關鍵技術，建構可因應人、時、地需求而自動調變，以人為本的智慧照明系統。
 

另一方面，整合式系統架構發展趨勢興起，也帶動異業合作的市場策略。如飛利浦(Philips)與思科(Cisco)公司宣布通過現代辦公室物聯網創建一個能源節約、構建效率和員工生產力新價值的全球戰略同盟。該同盟將集成飛利浦的LED連接照明系統與思科IT網際網路技術，來打造高達10億歐元市值的全球辦公室智慧照明市場。
 

朱慕道指出，整合式系統架構既成未來發展趨勢，也將驅使智慧照明業者間的異業結合/購併態勢。如飛利浦和思科，不同領域的業者採取合作的方式，除合力研發新技術外，也是藉此尋找市場新定位，以獲取新的商機。
 

同時，此一趨勢也對傳統照明產業鏈產生影響。傳統產業鏈以LED燈具廠為主角，整合LED光源模組、二次光學、驅動器及散熱模組，提供給工程廠商或設計師，進行光環境的建置。然而傳統的產業鏈已不適用需要高度系統整合的智慧光服務產業。
 

為此，未來傳統LED照明廠應由現行照明燈具開發的商業型態，轉型升級為系統商業型態。由於傳統LED照明廠已具備深厚的硬體基礎技術，若再能掌握關鍵照明技術，如因應人因照明需求的同色異譜技術、光治療等，便可再創造產業升級機會。
 

圖2　逢甲大學光電學系助理教授葉建宏指出，可見光通訊技術具備多種好處，未來市場可望加速成長。

萬物聯網時代臨　VLC/定位技術興
 

物聯網時代來臨，也進一步帶動可見光通訊技術的市場成長。根據Grand View Research的最新研究報告顯示，全球可見光通訊(VLC)/Light Fidelity(Li-Fi)無線光通訊市場可望在2024年達到1013億美元。
 

逢甲大學光電學系助理教授葉建宏(圖2)指出，可見光通訊的好處在於具備綠色節能效益、可進行精準的室內定位、無電磁波干擾(EMI)對人體影響較小、因只有照明環境中才可做通訊使用，因此連網安全性更高(表1)，最後的好處則是不須再花費大筆金錢申請發送頻譜執照，只要在400∼700nm頻段中都可自由使用。
 

同時，由於可見光通訊不會產生電磁干擾，故可以在飛機、機場、醫院等不允許EMI干擾的環境場域中，進行安全的網路通訊頻道。
 

VLC通訊還能在手機之間進行安全的連接，主要是因其光源是可見的，因此用戶們可透過控制可見光的方向進行選擇安全的通訊目標，使其它人無法偷取該網路傳輸資訊；且LED光無法穿透牆壁，其它房間的光訊號也不會與其產生干擾問題。
 

為加速VLC商用化時程，相關標準組織也紛紛開始行動。在美國由UC所提供資金的Center for Ubiquitous Communication by Light已被建立，其主要是以無線通訊訊號嵌入LED照明系統內以提供照明、通訊、交通管制、廣告和其它的應用等。
 

在歐洲的OMEGA計劃Seventh Research Framework Programme(FP7)早於2008年便開始執行VLC相關技術開發，其目標是將發展一個Gbit/s的傳輸速度等級之VLC高頻寬服務的家庭區域網路。參與的成員包含近二十個歐盟的研究機構，如France Telecom、Siemens、Oxford University等。
 

與此同時，也有幾個相關的標準正在制定，像日本的Visible Light Communication Consortium(VLCC)於2003年開始制定VLC通訊規範，現今已有十八個日本主要的公司與研究機構參與，如NEC、松下(Panasonic)、東芝(Toshiba)，以及索尼(Sony)等。此外於2008年，IEEE也開始成立VLC Study Group於IEEE 802.15Wireless Personal Area Network(WPAN)之下，主要在MAC與PHY上進行探討與制定，其主要之參與成員有三星(Samsung)、英特爾(Intel)、ETRI等。
 

然而，VLC通訊目前還有須克服之挑戰。葉建宏表示，一般室內多採用白光LED作為光通訊，因白光LED具備高效率、成本較低，且生命週期也較長。
 

另外，相較於螢光燈管等元件，白光LED的調製頻寬也較寬，因此較適合成為照明和光通訊之元件。目前白光有兩種產生方式，一種是利用螢光粉(Phosphor)，再加上藍光LED晶片，透過藍光打在螢光粉上，進而產生白光的輸出；另一種方式便是利用紅綠藍(RGB)三種光源混合成白光，也就是所謂的RGB LED。
 

圖3　隆達電子照明事業單位協理黃道恆透露，藍光LED加螢光粉(B+Phosphor)輸出白光的方式，目前尚無法滿足LED VLC網路傳輸系統，且購置成本也較高。

不過，隆達電子照明事業單位協理黃道恆(圖3)透露，採用藍光LED加螢光粉(B+Phosphor)輸出白光的方式，在光通訊頻寬應用上，雖可藉由Blue Filter於Rx端將Blue LED部分的頻譜濾下來，其直接就可以有10MHz的頻寬可調變訊號用並同時增加其傳輸速率；但是使用該濾波器的話會造成較大的光功率損耗，此會導致VLC傳輸距離下降至cm等級，無法滿足實際LED VLC網路傳輸系統，且購置的成本也較高。
 

黃道恆進一步指出，此VLC傳輸距離很短，在實驗VLC通訊下極有可能是LED頭端電訊號直接洩漏至光接端Rx並被接收所致，因此通常在拉遠VLC傳輸距離後(>10cm)則無法量測到LED傳輸訊號。
 

葉建宏表示，螢光粉導致調變頻寬受限之問題，未來可考慮改用RGB LED進行光通訊。因RGB LED並未採用螢光粉，因此原始的傳輸頻寬就可達10MHz，若再透過正交分頻多工的方式，便可增加2∼8倍的調變頻寬。
 

圖4　台灣大學光電工程研究所暨電機工程學系教授兼所長林恭如說明，雷射二極體可大幅提升VLC傳輸頻寬。

台灣大學光電工程研究所暨電機工程學系教授兼所長林恭如(圖4)進一步說明，若是要增加VLC通訊頻寬，未來還可考慮採用雷射二極體。相較於LED頻寬多為幾十MHz，雷射二極體於設計上可輕易達到GHz等級的頻寬，且還有向上調整的空間，因此，未來由雷射二極體勢必會在可見光通訊市場中，扮演一定的角色。
 

至於在可見光定位設計上，黃道恆指出，目前室內定位技術以RFID定位技術、Wi-Fi定位技術、藍牙(Bluetooth)定位技術、ZigBee定位技術，以及紅外線室內定位技術較為普及。不過，這五種技術中又以藍牙定位未來發展性尤佳。原因在於，RFID、ZigBee及紅外線定位技術的模組，於行動裝置上較不普遍，而Wi-Fi使用數量雖與藍牙差不多，且穩定度及訊號強度也優於藍牙，但缺點便是耗電量大。
 

藍牙除容易整合在行動裝置設備中，易於推廣與普及外，亦是一種低功耗且短距離的無線傳輸技術，可讓終端設備的工作時間更長，能夠通過測量訊號強度的方式進行定位。
 

基於上述原因，目前室內定位聯盟主推藍牙定位技術方案，因為使用藍牙低功耗天線陣列三角定位及追蹤藍牙設備標記來實現，比起Wi-Fi三角定位的效率更高，加上所需成本更低，一般有內建藍牙功能的手機就能夠執行定位功能。目前已有業者使用Beacon結合VLC，如法國家樂福，先用Beacon進行小範圍的定位，再運用VLC進行更精準的控制。
 

應用層定義明確 ZigBee採用率高
應用層定義明確 ZigBee採用率高
 

智慧照明發展前景可期，而在多種無線連結技術當中，由於ZigBee在Application層(Ap層)有完整定義可供無線連結參考設計使用，進而加速設計開發時間，其餘技術如藍牙、Wi-Fi等於Ap層定義上都不若ZigBee明確，因此，ZigBee目前躍居智慧照明主要連線技術。
 

圖5　芯科實驗室(Silicon Labs)資深應用工程師林仕文表示，ZigBee有很完整的Application層定義，因此目前智慧照明無線連網技術多採用ZigBee。

芯科實驗室(Silicon Labs)資深應用工程師林仕文(圖5)表示，ZigBee特點在於有很完整的Application層定義，像是開關控制(On-Off)、調光、調色溫等指令；此外，ZigBee拓撲節點數較多，若中間有節點損壞，其還有自我修復之功能，可確保指令正確傳送。
 

因應智慧照明ZigBee聯網設計需求，芯科實驗室備有相關解決方案，如EM3585和EM357，上述兩種ZigBee的照明參考設計，內含適用於無線電的硬體、韌體和軟體工具。套件提供適合快速示範和測試用途的照明板和外掛示範電路板。
 

另外，該兩款照明參考設計穩健、可擴充並包含豐富功能。Golden-unit ZigBee堆疊可讓燈具可靠地加入、交互操作和離開網路；而且可在相同網路上從幾個燈擴充為數百個燈。燈可支援白色、溫度和RGB色彩色設定，以及調光功能。
 

可透過ZigBee閘道，例如，USB虛擬閘道或 Wi-Fi/乙太網路閘道，將燈可輕鬆地連結至其他家庭自動化裝置，像是調光電容式觸控燈開關參考設計。
 

不過，林仕文指出，ZigBee雖定義明確，但也有其令人詬病的地方。例如，ZigBee所制定的應用層標準(Application Standard)，如ZigBee Home Automation、ZigBee Light Links、以及ZigBee Smart Energy等應用(表2)，彼此間的Profile都是不相通的。為此，ZigBee便推出ZigBee3.0，欲將原本所提出各種不同的Profile都整合在一起，使未來ZigBee在應用上更簡單靈活、更能增進使用者體驗、增加互通性、打造更健全及兼容的網絡。
 

注重電路保護/電源測試以提升產品壽命
 

圖6　英飛凌工業與多元電子事業處應用工程師楊東益指出，物聯網世代，元件與元件之間的相互溝通日漸重要，智慧照明未來也須朝此方向發展。

英飛凌工業與多元電子事業處應用工程師楊東益(圖6)表示，物聯網時代的到來，不論是採用何種無線/有線連接技術，元件與元件之間的相互溝通變得越來越重要，智慧照明發展也是如此。透過無線連接傳輸，將照明導入數位化、智慧化之後，便可儲存相關資料，並透過雲端分析，提供相關的解決方案，如依照目前的環境，室內燈光光線須做何改變、色溫又該如何調整等，使照明更能符合一般人的使用習慣。
 

隨著智慧照明發展越來越蓬勃，連帶使得整體智慧照明系統之電路保護設計，以及確保LED燈電源之壽命，使其可真正達到省電節能的目標，更顯重要。致茂電子專案經理翁睦聖(圖7)指出，根據統計，目前LED燈故障率最高的零部件就是LED電源，其在所有的故障部件中高達70%。以美國東部的賓夕法尼亞州埃爾伍德市的數據為例，從該市的五千四百盞戶外LED路燈失效數據統計中得知，電源與控制驅動模組失效約占59%，散熱不良占31%，LED元件不良約占10%。由此可見，LED電源將是維持LED燈壽命長短的重要關鍵。
 

為確保LED燈具可擁有較長壽命，其電源測試可說是不容忽視。翁睦盛表示，LED燈的電源測試有五大項目，分別為輸出端特性測試、輸入端特性測試、時序及暫態特性測試、穩定度測試，以及保護特性測試。在這五大項中，於輸出端測試項目的紋波電流測試更是重點測試項目。
 

圖7　 致茂電子專案經理翁睦聖透露，導致LED燈具損壞的元兇經常是不良的電源設計。

翁睦盛進一步說明，紋波電流的測試目的與影響在於，由於LED電源需要定電流模式(表3)，而根據規定，定電流源的紋波電流應小於±20%，若是紋波電流越大，LED的光輸出會受影響，且會提高LED結溫，影響LED性能，甚至還進一步影響到LED使用壽命(因經驗顯示，結溫每升高10℃，使用壽命就縮短一半)；此外，紋波電流越大，還會影響到LED電源的輸出電容壽命。因此，紋波電流的測試，是LED電源測試時不容小覷的一個部分。
 

至於在智慧照明電路保護設計方面，Littelfuse資深行銷工程師游恭豪(圖8)表示，既是智慧照明，不論是有線還無線，其設備必定具有聯網功能；而相較於無線聯網，有線聯網由於可靠而且建置成本也比較低，因此還是有大多數照明業者使用。
 

圖8　 Littelfuse資深行銷工程師游恭豪表示，因應智慧照明系統電路保護需求，該公司備有多樣ESD保護元件。

例如區域網路控制器(CANbus)，其傳輸速度雖不如乙太網(Ethernet)，但由於穩定性甚佳，因此不少業者也採用CANbus建置聯網設備。針對CANbus之電路保護，Littelfuse備有瞬態抑制二極管陣列設計–SM24CANB，可使CANbus免受靜電放電(ESD)、電氣快速瞬變(EFT)與其他過壓瞬變造成的線路損壞。同時，此一系列產品還可吸收高於IEC61000-4-2國際標準規定之最高級別的反復性ESD放電，而不會發生性能減退，並可在極低的箝位電壓下安全地耗散10A的8/20s波形浪湧電流(IEC61000-4-5)。
 

另外，針對目前有線網路中使用率最高、也最成熟的乙太網路，為防止布線時的摩擦或是其他外力而導致線路產生破損造成的短路燒毀端點，Littelfuse也針對乙太網推出另一款瞬態電壓抑制二極管陣列–SP3051-04HTG，可將低電容軌到軌二極管和附加的齊納二極管組合在一起，保護每根輸入/輸出的引腳不受ESD和雷擊導致的浪湧現象的危害。
 

此外，該產品還可根據IEC61000-4-5(tP=8/20μs)標準安全地吸收20A的電流，且性能不會下降；而根據IEC61000-4-2標準，ESD的最小值為±30kV。與類似設備相比，該產品優勢還包括更低的動態電阻，使箝位電壓降低35%，以及更高的接觸放電ESD觸點額定電流。