導入系統級封裝光引擎 傳統燈具躍升智慧照明
發光二極體(LED)廠除追求更高效率外，也希望透過資通訊(ICT)技術將光引擎與控制系統連結，讓燈具與系統內建智慧光引擎，並能依環境需求進行更個人化設計，以調整成最舒適的光環境。發展滿足以人為中心照明(Human Centric Lighting)，可提高LED照明市場滲透率，為未來照明創造全新風貌。
因應全球氣候變遷與節能減碳趨勢，各國積極推動LED照明，2012年全球LED照明市場達451億6,000萬美元，預估2016年將達778億美元，2011?2016年的年平均成長率達20.6%。全球LED技術快速進步，同時LED照明產品價格快速下滑，國際機構預估2016年LED照明於整體照明市場滲透率將達45%。
傳統照明產業鏈分別由三個次產業組成，包含傳統光源(鎢絲燈及螢光燈)、燈具業(大眾燈具設計、燈具製造及客製化)與系統業(光環境設計、控制系統軟硬體、系統安裝及維護)。
LED開啟傳統照明新風貌
傳統照明為一穩定且成熟產業，光源技術並無持續進展，且照明控制系統因價格高並不普及。LED光源的發明及電子業切入照明領域，為傳統照明產業鏈帶來新衝擊，新型態的照明產業鏈變成LED光源(電子業大量製造)、燈具業(燈具大量製造)與系統業(光環境設計、控制系統軟硬體、系統安裝及維護)；而由於LED光源缺乏標準形式，傳統燈具業者無法輕易掌握新光源特性，加上電子業業務往下游領域擴張，使傳統燈具業備受威脅。
光引擎的進展將提供一種新的可能性，並讓照明產業鏈呈現新的風貌。新架構包含LED光源(電子業製造核心光引擎)、燈具業(客製化燈具設計與製造)與系統業(光環境設計、控制系統軟硬體、系統安裝及維護)。
交流光引擎縮小系統體積
此架構將使LED光源透過電子業的能量，提高性價比及光品質，讓燈具業者更輕易客製化，設計符合人需求的照明燈具。
LED光引擎電路架構如圖1所示，交流電源輸入後，經過整流成直流電壓，並依所接LED負載的順向操作電壓範圍，升壓或降壓定電流電路；另外，設計人員要按照安規設置濾波或保護功能之安規元件，再依需求設置功率因數校正(PFC)電路提升功率因數值。
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| 圖1 光引擎電路架構示意圖 |
最新LED光引擎驅動方式為線性多段式切換控制LED，輸入交流電源透過整流成直流電壓，電控積體電路(IC)偵測輸入電壓自動切換合適的LED串並數目，並透過定電流電路維持LED固定電流。此架構優點為不須電感及高速切換做升降壓，功率因數高且體積小，缺點為LED串並數目配合特定IC設計，使用彈性低且LED利用率無法達到100%。
ZHAGA標準增進產品互通性
2010年2月初，全球九家照明行業巨頭發起ZHAGA聯盟，旨在發展LED光引擎介面標準，藉由定義光引擎的物理特性、光度、電氣和熱特性等介面規範，實現ZHAGA聯盟內不同製造商產品間之兼容性。
目前ZHAGA聯盟已公布Book 1?Book 8規範，尚有Book 9?Book 11發展中，圖2(左)展示飛利浦(Philips)分離式Book 3光引擎範例，採用降壓定電流驅動電源設計，連接標準化Book 3光引擎，光通量約3,000流明(lm)，瓦數約39瓦(W)。
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| 圖2 Book 3光引擎(左)；Book 2光引擎(中)；Book 2光引擎崁燈(右) |
圖2(中)則展示MEGAMAN的整合型Book 2標準化光引擎TECOHCFX範例，將交流電源及LED整合於光引擎機構內，亮度約1,800流明，瓦數約30瓦；圖2(右)為MEGAMAN崁燈使用Book 2光引擎的示意圖，透過標準機構介面設計，經由旋轉光引擎方式，輕易可將光引擎置換，但目前機構成本偏高，尚未形成國際標準，未被燈具業者廣泛採用。
LED設計須兼顧成本/效能/體積
LED設計須兼顧成本/效能/體積
COB(Chip on Board)透過多個LED晶片整合於同一封裝體，並安置於印刷電路板(PCB)上(FR4、MCPCB或陶瓷基板)，降低封裝技術門檻及PCB成本，適合應用於小面積且高光通量光源需求。
目前COB整合驅動電源於電路板上，此方式在技術上可行，但電源瓦數越高，採用(升)降壓定電流驅動電源設計架構，電源體積越龐大，且為了小體積需求選擇小型電源零組件，將提高電源成本，故目前將COB整合驅動電源於電路板上之產品還處於研究階段。
韓國首爾半導體(Seoul Semiconductor)發展出高度整合性線性驅動IC，使用線性多段式切換控制LED驅動電路，結合直流發光二極體(DC LED)整合於單一光引擎(Acrich 2)(圖3)，光通量約1,300流明，瓦數約17瓦，CRI大於80，PF值大於0.95，其優點為架構簡單、成本低、驅動電路體積小、高功率因數、無電解電容可靠度高，但缺點為LED利用率低。
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| 圖3 首爾半導體Acrich 2 17W光引擎 |
導入CSP封裝 LED提升光品質
晶粒尺寸封裝(CSP)為IC封裝中成熟封裝技術，LED封裝業將其導入LED封裝製程，使CSP LED快速整合至SMT製程，提高生產速度。其體積小，單位面積光通量高，可結合二次光學，適合應用於投光式燈具、點光源式蠟燭燈等。
以工研院綠能所發展的整合CSP LED光引擎雛型為例(圖4左)，使用聯京光電1515 CSP LED，設計降壓定電流驅動電源(使用立錡DS8458A)，目前可全電壓輸入(85?260伏特(V))，於220伏特交流輸入時消耗功率約6.7瓦，光通量350流明，相對色溫(CCT)4,000K、CRI 95.6、CQS 97，其光品質逼近鎢絲光源，且於可見光範圍內為連續光譜分布(圖4右)。
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| 圖4 高CRI光引擎雛形(左)；光引擎量測光譜圖(右) |
高壓LED改善電源轉換效率
氮化鎵(GaN)藍光LED順向操作電壓約為2.9?3.2伏特，與台灣交流電源供應系統(110伏特/220伏特)相差甚多，須使用多顆LED串聯並接上AC to CC(交流轉換成直流定電流)電源驅動電路，其電源轉換效率差。
為使LED維持穩定發光，國際上開始發展高壓(HV)LED元件，透過LED微晶粒製程，在單一晶片上製作多顆微晶粒相互串聯，使單顆LED晶片電壓可達到50伏特或70伏特，大幅改善電源轉換效率問題。這種LED可簡化電路架構並提升晶片可靠度，同時降低LED封裝上件成本(如金線等)；此外，還具備可縮小PCB面積的優點，使光引擎更小型化，提高燈具設計彈性。
國際開始投入發展HV LED於單一元件封裝體(表1)。目前HV LED效率(73?120流明/瓦)仍然落後於一般傳統DC LED效率(100?150流明/瓦)，國際尚未有HV LED技術標準化規格產品，故於技術及標準領域仍然是未完全成熟的潛力發展領域。
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目前發展交流輸入光引擎技術，係使用藍光及紅光HV LED晶片結合點膠製程封裝於PCB上，並整合線性多段式切換控制LED驅動電路於PCB上，完成交流輸入光引擎實體(圖5)。其特性為整合交流電控IC及LED晶片封裝，直接插入市電就可點亮，使用方便，透過高度整合封裝技術，降低材料及製程成本，具備高可靠度、無電解電容及磁性元件，可提高使用壽命及使用環境條件限制；同時，薄型化特性結合燈具設計自由度高。
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| 圖5 交流輸入光引擎實體 |
整合標準控制介面 智慧光引擎控制升級
LED光引擎未來將往持續提高性價比及標準化前進，當光品質、效率及成本符合消費者需求，產業競爭力將由光引擎智慧化所提供功能決定，其中電源和控制功能IC化，以及光引擎與控制系統做連結為重點關鍵技術。
目前發展直流光引擎(圖6左)，LED晶片與驅動IC晶片封裝於高導熱基板，消耗瓦數3瓦，亮度約280?300流明，高導熱基板為鋁(Al)與石墨複合基板，熱導率Kxy=550瓦/m.K，可設計成模組化使用(圖6中)，搭配不同角度之二次光學反射器，達到出光角度60度、90度或120度，並可依散熱需求設計，搭配不同散熱器，效率為86.9流明/瓦，電源IC效率為93.6%，具有脈衝寬度調變(PWM)及1?10伏特調光介面，可接受輸入電壓12?36伏特，能整合成MR16燈泡應用(圖6右)。
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| 圖6 3W直流光引擎(左)；3W模組化光引擎(中)；ITRI MR16(右) |
連結行動裝置 照明系統增添智慧化
目前發展3D LED光引擎(圖7左)，將三顆LED晶片與驅動IC垂直封裝整合於5毫米(mm)x5毫米驅動IC上，大幅縮小光板體積(如10元硬幣大小)與成本，驅動IC內建溫度感測及通訊介面與調光功能(I2C、PWM、1?10伏特)，將3D LED光引擎置放於可移動式燈具，並可轉動投光角度(圖7右)，燈具內含電池及ZigBee無線控制模組，可透過平板電腦無線遙控燈具亮度，形成一小型化智慧型照明系統，充分發揮LED照明輕薄短小及可移動的特性。
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| 圖7 3D LED光引擎(左)；Zigbee無線控制照明系統(右) |
無線藍牙(Bluetooth)照明監控系統，主控端可為手機、平板或電腦等裝置，受控端為搭配藍牙模組之微處理器。使用者於主控端發送命令封包，透過藍牙通訊傳輸，於受控端之微處理器接收後進行封包解碼，對燈具進行調光動作；燈具之系統狀態(如燈板溫度、電壓、電流等)亦可透過藍牙通訊，將資訊回傳到主控端，使用者可對燈具實施保護與監控，達到智慧化照明監控之功能，其實際調控之應用程式(App)介面如圖8。
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| 圖8 無線藍牙照明監控系統與手機App調控介面 |
微結構封裝縮減LED體積/成本
以工研院所開發的一次光學微結構聚光模組技術為例，可應用於聚光型光引擎開發，已開發模仁超精密加工技術及微結構射出成形技術，並整合模內射出製程於高導熱基板上，實體射出成形之一次光學微結構聚光型透鏡(圖9左)，設計可達到10瓦千流明高功率發光模組(圖9中)，微結構封裝透鏡高度小於3毫米，出光角度約為41度(圖9右)，相較於傳統LED光源利用二次光學透鏡聚光，可大幅縮減封裝體體積，並大幅降低製作成本及時間。
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| 圖9 微結構射出封裝(左)；聚光型高導熱模組(中)；配光曲線圖(右) |
最新LED光引擎驅動方式為線性多段式切換控制電路，此電控IC偵測交流電源經整流後的電壓，自動切換合適的LED串並數目，分段點亮不同的LED串並組合。此種架構因為避免使用儲能元件，並且分時點亮不同數量的LED，因此會有LED利用率不佳的問題。
切換電路設計影響LED利用率
圖10為國際廠商發展分段式切換控制電路架構，韓國Seoul採用四段式切換，其LED利用率為62%；台灣立錡透過於四段式切換時改變LED串並聯，提升LED利用率至81%；工研院同樣透過於四段式切換，但於切換時加入二極體增加串並聯組合空間，使低電壓時可有效提升LED利用率達到接近100%，改善線性多段式切換控制電路利用率低的問題。
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| 圖10 Seoul驅動架構(左)；立錡驅動架構(中)；工研院驅動架構(右) |
智慧照明邁向多系統整合
以目前開發之網頁式照明監控系統(圖11)為範例，其透過無線AP連結網路攝影機(IP CAM)、微型伺服器(Server Controller)及乙太網路(Ethernet)網路，使用者可採用智慧型手機或是平板，透過無線區域網路(Wi-Fi)、3G行動網路或是Ethernet來連結微型伺服器內的網頁介面，輸入燈具控制訊號，也可以透過電腦依時間排程控制燈具。
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| 圖11 智慧照明監控系統 |
微型伺服器透過ZigBee與Master Controller內的ZigBee模組通訊，並送控制訊號到微控制器(MCU)，Master Controller與Slave Controller透過RS485進行通訊，每一個RS485 Controller使用MCU輸出控制訊號至燈具之驅動電路調光控制端，達到燈光控制的要求，亦可透過網路攝影機在網頁上顯示照明環境影像，即時監控調光環境功能。此架構為一低成本、擴充性高且使用方便之智慧照明監控系統。
未來如何更有效透過系統級封裝技術，整合交流電控IC及微結構封裝光型控制技術，將是照明封裝技術發展新領域，甚至系統端的功能如感測器或控制器，也將被整合進入光引擎；另外，系統級封裝光引擎與照明控制系統或能源管理系統連結，也將是未來發展之另一重點。
智慧光引擎發威 LED照明應用展新貌
系統級封裝有效減少光引擎介面，縮小光引擎體積並降低成本，使傳統燈具商更容易使用交流光引擎製作高品質燈具。透過智慧型光引擎整合電源及控制功能，光源將更容易依使用者需求調控，並降低系統成本。
