Driving Quality of Light
- DIGITIMES企劃
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對LED照明產業而言，2012年LED照明相關業者最關注的焦點，不外乎LED照明應用的成本、品質與知識產權等問題，在成本與知識產權方面，均有明確的改善與處理方針，但唯獨在「品質」的問題，不只影響終端應用的市場競爭力，在開發與生產段也較難量化評估...
LED照明光源，畢竟是全新的照明技術，有別於傳統白熾燈、CCFL螢光管燈發光原理，LED產生照明的方式完全不同，在驅動的技術與進階應用方法也有相當程度的不同，即便同為由電能轉換為光能的應用型態，但實際上卻在驅動設計、電源電路設計都無法直接沿用舊燈具設計，必須針對LED元件特性進行最佳化調校。
尤其是LED照明光源屬於新穎的半導體固態光源，發光原理與驅動電路設計，完全與原有的白熾燈、CFL管燈設計方案不同，原有白熾燈較不會被注意的閃爍問題，在LED照明燈具追加調光驅動設計方案，就必須被改善的重點問題。
另原有在CFL管燈設計方案，驅動採取的交換式電源設計方案，早期多數業者與使用者，大多也不會刻意要求轉換效率，但在LED設計方案中，由於LED採取驅動方式不同，使用AC/DC、DC/DC轉換方案就很容易凸顯能源轉換效率問題，這些種種的問題，在傳統燈具問題不大，反而在LED設計方案中，持續追求高流明輸出、高效率驅動設計方向時，時時考驗驅動電路設計方案。
提升LED照明應用的 User Experience
對於光源應用的品質，往往是由人們的使用者體驗(User Experience)來決定，不只是每個人對於視覺觀感的「品質」評定較無法找到一致性的評估標準，使用經驗的評估更沒有一個可參考的基準，即便是LED產品的CRI量化數據，都太過偏向元件本身的性能評估基準，很難等同於使用者的實際體驗效果。
但提升品質前，仍要先確認「品質」的定義，在LED照明光源方面，品質的關鍵應以「穩定」為主，LED照明的穩定光源輸出，是LED照明應用的關鍵問題核心，一般所說的LED照明應用好壞，在穩定性的要求多是以觀察燈具實際使用的光輸出穩定性、是否會閃爍(flicker)為主，尤其以需出口歐、美國家的LED照明燈具，為了達到更具效率的能耗表現，相關產品大多已要求要提供可調光設計，而LED照明設計若加上調光機制，若驅動電路設計沒有做好，對於LED照明光源的閃爍現象只會出現加劇的問題。
解決閃爍問題 為LED照明品質提升首要關鍵
先了解LED照明光源「閃爍」的原因，一般而言，LED照明光源元件為電流驅動的器件，在追加了調光設計後，若調光電路設計不良，或是負載沒有控制好，LED元件就容易出現輸出電流浮動，造成實際輸出的亮度出現閃爍。
多數的設計方案，只要看到產品輸出發生閃爍問題，大多都會將問題矛頭指向電源驅動電路設計方案，多數閃爍問題最終都會歸咎在驅動電路設計，而驅動的電源供應設計，不只是輸出浮動、閃爍問題需要解決，還有電源電路關鍵元器件的Life Time選料問題，此外，最終產品的安全規範、EMI等設計問題，也必須在調光與驅動電路上，花更多心思確認相關設計。
LED驅動的輸出閃爍問題，其實並無法完全根絕閃爍，而是閃爍發生的狀況的明顯程度、是不是會讓人眼明顯察覺！不管是舊式白熾燈或是新穎的LED照明光源，都會有閃爍現象，只是閃爍的頻率、閃爍方式會不會影響用戶體驗，例如，若是用於花圃、戶外的LED節能照明，即便照明設施出現些微閃爍，消費者也不會在意，但使用場景若轉換到書房、客廳的環境照明，當發生燈具閃爍，在有限空間的室內就相當容易察覺，影響使用者的照明體驗。
加上白熾燈原有的驅動與調光設計，基本上無法直接轉換用至LED光源產品，即便兩種光源均為採電力驅動發光，但實際上驅動的設計方案卻有明顯不同，而LED照明光源在多燈串接的狀況下，也容易因為負載變化而使得負載波動增大，加劇閃爍問題，這些都必須在電源轉換與驅動電路進行改善，關鍵的LED照明輸出穩定問題，都環繞在電源設計方案上！
驅動電路輸出穩定設計 需視實際應用進行調整
一般來說，AC/DC或無電源轉換驅動之LED照明應用，是不是120Hz應用下一定會有閃爍？其實並不見得，而LED光源閃爍的問題需關注兩個重點情境，一是產生燈具(或LED)閃爍的頻率、閃爍幅度？二是該LED照明燈具是針對何種應用場合設計。例如，針對路燈或建築外觀裝飾照明的燈具若發生微量閃爍，基本上大多可以忽略不計，但若搭配近端的Office應用，肯定消費者將很容易察覺略微的視覺變化，影響其對LED照明產品的信賴度。
另外，將驅動電源設計採100Hz就不會產生閃爍？其實也不見得，因為仍要觀察驅動電源電路之穩定度，若設計用料與質量不佳，也會因為不同運行時間的環境溫度累加，造成驅動輸出不穩定、出現輸出閃爍問題。
其實，人眼的視覺感受十分敏感，據實驗室的相關研究發現，在LED驅動電流僅10mA上下震盪條件下，於3Hz、5Hz都能馬上被人眼發現閃爍，而在20Hz就沒有這麼快被察覺。解決LED照明閃爍問題，其實並不能100%根治，務實的作法只能減少其影響，或是抑制閃爍直到小至人眼無法察覺，但較大的問題是LED照明業界並無針對閃爍的參考標準(flicker Index)，正因為flicker沒有一定標準，也讓LED業界有心想改善此問題也無所適從，但可喜的是IEEE已經著手進行相關標準定義，未來也將有據可循。
另一個大問題是LED的調光電路設計，因為若產品有計劃輸出歐、美市場，由於歐、美市場大多要求需具備可調光之節能設計，務求LED照明光源能提升更高的節約能源表現，雖說調光設計在白熾燈年代即發展成熟，實際上卻不能將相關電路用於LED全新照明光源元件上。另一方面，調光電路還必須兼顧能效、壽命與製作成本，若無法達到一個均衡的設計方案，也會讓LED照明產品的市場競爭力降低。
驅動電路設計需兼顧能效、壽命與成本要求
另外，LED照明光源的調光電路，為由矽晶片架構，這在銜接LED光源產品上就會出現問題，因為礙於成本，若要達到有效調光、高使用效益，必須採多燈調光設計方案，但以矽晶片為基礎的調光電路，若在外部負載產生變化時，也會相應產生輸出效能變化，甚至導致燈具出現惱人的閃爍，在選擇相關電源解決方案前，必須進行審慎評估。
另調光器的設置環境也會影響最終輸出的穩定性，例如，若調光器接於住戶配電盤之後，若同一套電路供應迴路還有另一套調光器，這會導致電路供電產生些微差距，影響輸出的電流浮動。而不同電源解決方案，若要混用，可能也會出現不相容問題，在選相關方案前也須進行交叉測試，避免問題發生。
而多燈調光器的設計方案，還必須注意，LED光源器件還須要求驅動每盞燈供應電流的一致性，因為若是多燈的控制應用上，若是局部燈具的輸出位準飄移，會讓多燈不規則閃爍的問題更加凸顯，反而讓整個照明應用方案的設計缺失更為明顯，這時做好恆流驅動的穩定性與輸出效能，就成為選擇解決方案的關鍵。
對於開發商而言，也可善用現成的解決方案，來進行驅動電路的產品設計，加速產品化的開發時程，尤其是現有針對LED固態光源照明應用的電源解決方案，已經針對LED這類負載進行最佳化，不僅在轉換效率可達到一定程度的改善，搭配電源電路為模組化設計，可針對應用需求擴充設計容量，輕鬆滿足各式LED固態光源燈具的驅動需求。
