系统级封装有效减少光引擎(Light Engine)介面，缩小光引擎体积，降低成本，使传统灯具商更容易使用交流光引擎制作高品质灯具。透过整合电源及控制功能的智慧型光引擎，光源可更容易依使用者需求调控，并降低系统成本。
发光二极体(LED)厂除追求更高效率外，也希望透过资通讯(ICT)技术将光引擎与控制系统连结，让灯具与系统内建智慧光引擎，并能依环境需求进行更个人化设计，以调整成最舒适的光环境。发展满足以人为中心照明(Human Centric Lighting)，可提高LED照明市场渗透率，为未来照明创造全新风貌。
因应全球气候变迁与节能减碳趋势，各国积极推动LED照明，2012年全球LED照明市场达451亿6,000万美元，预估2016年将达778亿美元，2011?2016年的年平均成长率达20.6%。全球LED技术快速进步，同时LED照明产品价格快速下滑，国际机构预估2016年LED照明于整体照明市场渗透率将达45%。
传统照明产业链分别由三个次产业组成，包含传统光源(钨丝灯及萤光灯)、灯具业(大众灯具设计、灯具制造及客制化)与系统业(光环境设计、控制系统软硬体、系统安装及维护)。
LED开启传统照明新风貌
传统照明为一稳定且成熟产业，光源技术并无持续进展，且照明控制系统因价格高并不普及。LED光源的发明及电子业切入照明领域，为传统照明产业链带来新冲击，新型态的照明产业链变成LED光源(电子业大量制造)、灯具业(灯具大量制造)与系统业(光环境设计、控制系统软硬体、系统安装及维护)；而由于LED光源缺乏标准形式，传统灯具业者无法轻易掌握新光源特性，加上电子业业务往下游领域扩张，使传统灯具业备受威胁。
光引擎的进展将提供一种新的可能性，并让照明产业链呈现新的风貌。新架构包含LED光源(电子业制造核心光引擎)、灯具业(客制化灯具设计与制造)与系统业(光环境设计、控制系统软硬体、系统安装及维护)。
交流光引擎缩小系统体积
此架构将使LED光源透过电子业的能量，提高性价比及光品质，让灯具业者更轻易客制化，设计符合人需求的照明灯具。
LED光引擎电路架构如图1所示，交流电源输入后，经过整流成直流电压，并依所接LED负载的顺向操作电压范围，升压或降压定电流电路；另外，设计人员要按照安规设置滤波或保护功能之安规元件，再依需求设置功率因数校正(PFC)电路提升功率因数值。
图1 光引擎电路架构示意图
最新LED光引擎驱动方式为线性多段式切换控制LED，输入交流电源透过整流成直流电压，电控积体电路(IC)侦测输入电压自动切换合适的LED串并数目，并透过定电流电路维持LED固定电流。此架构优点为不须电感及高速切换做升降压，功率因数高且体积小，缺点为LED串并数目配合特定IC设计，使用弹性低且LED利用率无法达到100%。
ZHAGA标准增进产品互通性
2010年2月初，全球九家照明行业巨头发起ZHAGA联盟，旨在发展LED光引擎介面标准，藉由定义光引擎的物理特性、光度、电气和热特性等介面规范，实现ZHAGA联盟内不同制造商产品间之兼容性。
目前ZHAGA联盟已公布Book 1?Book 8规范，尚有Book 9?Book 11发展中，图2(左)展示飞利浦(Philips)分离式Book 3光引擎范例，采用降压定电流驱动电源设计，连接标准化Book 3光引擎，光通量约3,000流明(lm)，瓦数约39瓦(W)。
图2 Book 3光引擎(左)；Book 2光引擎(中)；Book 2光引擎崁灯(右)
图2(中)则展示MEGAMAN的整合型Book 2标准化光引擎TECOHCFX范例，将交流电源及LED整合于光引擎机构内，亮度约1,800流明，瓦数约30瓦；图2(右)为MEGAMAN崁灯使用Book 2光引擎的示意图，透过标准机构介面设计，经由旋转光引擎方式，轻易可将光引擎置换，但目前机构成本偏高，尚未形成国际标准，未被灯具业者广泛采用。
LED设计须兼顾成本/效能/体积
COB(Chip on Board)透过多个LED晶片整合于同一封装体，并安置于印刷电路板(PCB)上(FR4、MCPCB或陶瓷基板)，降低封装技术门槛及PCB成本，适合应用于小面积且高光通量光源需求。
目前COB整合驱动电源于电路板上，此方式在技术上可行，但电源瓦数越高，采用(升)降压定电流驱动电源设计架构，电源体积越庞大，且为了小体积需求选择小型电源零组件，将提高电源成本，故目前将COB整合驱动电源于电路板上之产品还处于研究阶段。
韩国首尔半导体(Seoul Semiconductor)发展出高度整合性线性驱动IC，使用线性多段式切换控制LED驱动电路，结合直流发光二极体(DC LED)整合于单一光引擎(Acrich 2)(图3)，光通量约1,300流明，瓦数约17瓦，CRI大于80，PF值大于0.95，其优点为架构简单、成本低、驱动电路体积小、高功率因数、无电解电容可靠度高，但缺点为LED利用率低。
图3 首尔半导体Acrich 2 17W光引擎
导入CSP封装 LED提升光品质
晶粒尺寸封装(CSP)为IC封装中成熟封装技术，LED封装业将其导入LED封装制程，使CSP LED快速整合至SMT制程，提高生产速度。其体积小，单位面积光通量高，可结合二次光学，适合应用于投光式灯具、点光源式蜡烛灯等。
以工研院绿能所发展的整合CSP LED光引擎雏型为例(图4左)，使用联京光电1515 CSP LED，设计降压定电流驱动电源(使用立錡DS8458A)，目前可全电压输入(85?260伏特(V))，于220伏特交流输入时消耗功率约6.7瓦，光通量350流明，相对色温(CCT)4,000K、CRI 95.6、CQS 97，其光品质逼近钨丝光源，且于可见光范围内为连续光谱分布(图4右)。
图4 高CRI光引擎雏形(左)；光引擎量测光谱图(右)
高压LED改善电源转换效率
氮化镓(GaN)蓝光LED顺向操作电压约为2.9?3.2伏特，与台湾交流电源供应系统(110伏特/220伏特)相差甚多，须使用多颗LED串联并接上AC to CC(交流转换成直流定电流)电源驱动电路，其电源转换效率差。
为使LED维持稳定发光，国际上开始发展高压(HV)LED元件，透过LED微晶粒制程，在单一晶片上制作多颗微晶粒相互串联，使单颗LED晶片电压可达到50伏特或70伏特，大幅改善电源转换效率问题。这种LED可简化电路架构并提升晶片可靠度，同时降低LED封装上件成本(如金线等)；此外，还具备可缩小PCB面积的优点，使光引擎更小型化，提高灯具设计弹性。
国际开始投入发展HV LED于单一元件封装体(表1)。目前HV LED效率(73?120流明/瓦)仍然落后于一般传统DC LED效率(100?150流明/瓦)，国际尚未有HV LED技术标准化规格产品，故于技术及标准领域仍然是未完全成熟的潜力发展领域。
目前发展交流输入光引擎技术，系使用蓝光及红光HV LED晶片结合点胶制程封装于PCB上，并整合线性多段式切换控制LED驱动电路于PCB上，完成交流输入光引擎实体(图5)。其特性为整合交流电控IC及LED晶片封装，直接插入市电就可点亮，使用方便，透过高度整合封装技术，降低材料及制程成本，具备高可靠度、无电解电容及磁性元件，可提高使用寿命及使用环境条件限制；同时，薄型化特性结合灯具设计自由度高。
图5 交流输入光引擎实体
整合标准控制介面 智慧光引擎控制升级
LED光引擎未来将往持续提高性价比及标准化前进，当光品质、效率及成本符合消费者需求，产业竞争力将由光引擎智慧化所提供功能决定，其中电源和控制功能IC化，以及光引擎与控制系统做连结为重点关键技术。
目前发展直流光引擎(图6左)，LED晶片与驱动IC晶片封装于高导热基板，消耗瓦数3瓦，亮度约280?300流明，高导热基板为铝(Al)与石墨复合基板，热导率Kxy=550瓦/m.K，可设计成模组化使用(图6中)，搭配不同角度之二次光学反射器，达到出光角度60度、90度或120度，并可依散热需求设计，搭配不同散热器，效率为86.9流明/瓦，电源IC效率为93.6%，具有脉冲宽度调变(PWM)及1?10伏特调光介面，可接受输入电压12?36伏特，能整合成MR16灯泡应用(图6右)。
图6 3W直流光引擎(左)；3W模组化光引擎(中)；ITRI MR16(右)
连结行动装置 照明系统增添智慧化
目前发展3D LED光引擎(图7左)，将三颗LED晶片与驱动IC垂直封装整合于5毫米(mm)x5毫米驱动IC上，大幅缩小光板体积(如10元硬币大小)与成本，驱动IC内建温度感测及通讯介面与调光功能(I2C、PWM、1?10伏特)，将3D LED光引擎置放于可移动式灯具，并可转动投光角度(图7右)，灯具内含电池及ZigBee无线控制模组，可透过平板电脑无线遥控灯具亮度，形成一小型化智慧型照明系统，充分发挥LED照明轻薄短小及可移动的特性。
图7 3D LED光引擎(左)；Zigbee无线控制照明系统(右)
无线蓝牙(Bluetooth)照明监控系统，主控端可为手机、平板或电脑等装置，受控端为搭配蓝牙模组之微处理器。使用者于主控端发送命令封包，透过蓝牙通讯传输，于受控端之微处理器接收后进行封包解码，对灯具进行调光动作；灯具之系统状态(如灯板温度、电压、电流等)亦可透过蓝牙通讯，将资讯回传到主控端，使用者可对灯具实施保护与监控，达到智慧化照明监控之功能，其实际调控之应用程式(App)介面如图8。
图8 无线蓝牙照明监控系统与手机App调控介面
微结构封装缩减LED体积/成本
以工研院所开发的一次光学微结构聚光模组技术为例，可应用于聚光型光引擎开发，已开发模仁超精密加工技术及微结构射出成形技术，并整合模内射出制程于高导热基板上，实体射出成形之一次光学微结构聚光型透镜(图9左)，设计可达到10瓦千流明高功率发光模组(图9中)，微结构封装透镜高度小于3毫米，出光角度约为41度(图9右)，相较于传统LED光源利用二次光学透镜聚光，可大幅缩减封装体体积，并大幅降低制作成本及时间。
图9 微结构射出封装(左)；聚光型高导热模组(中)；配光曲线图(右)
最新LED光引擎驱动方式为线性多段式切换控制电路，此电控IC侦测交流电源经整流后的电压，自动切换合适的LED串并数目，分段点亮不同的LED串并组合。此种架构因为避免使用储能元件，并且分时点亮不同数量的LED，因此会有LED利用率不佳的问题。
切换电路设计影响LED利用率
图10为国际厂商发展分段式切换控制电路架构，韩国Seoul采用四段式切换，其LED利用率为62%；台湾立錡透过于四段式切换时改变LED串并联，提升LED利用率至81%；工研院同样透过于四段式切换，但于切换时加入二极体增加串并联组合空间，使低电压时可有效提升LED利用率达到接近100%，改善线性多段式切换控制电路利用率低的问题。
图10 Seoul驱动架构(左)；立錡驱动架构(中)；工研院驱动架构(右)
智慧照明迈向多系统整合
以目前开发之网页式照明监控系统(图11)为范例，其透过无线AP连结网路摄影机(IP CAM)、微型伺服器(Server Controller)及乙太网路(Ethernet)网路，使用者可采用智慧型手机或是平板，透过无线区域网路(Wi-Fi)、3G行动网路或是Ethernet来连结微型伺服器内的网页介面，输入灯具控制讯号，也可以透过电脑依时间排程控制灯具。
图11 智慧照明监控系统
微型伺服器透过ZigBee与Master Controller内的ZigBee模组通讯，并送控制讯号到微控制器(MCU)，Master Controller与Slave Controller透过RS485进行通讯，每一个RS485 Controller使用MCU输出控制讯号至灯具之驱动电路调光控制端，达到灯光控制的要求，亦可透过网路摄影机在网页上显示照明环境影像，即时监控调光环境功能。此架构为一低成本、扩充性高且使用方便之智慧照明监控系统。
未来如何更有效透过系统级封装技术，整合交流电控IC及微结构封装光型控制技术，将是照明封装技术发展新领域，甚至系统端的功能如感测器或控制器，也将被整合进入光引擎；另外，系统级封装光引擎与照明控制系统或能源管理系统连结，也将是未来发展之另一重点。
智慧光引擎发威 LED照明应用展新貌
系统级封装有效减少光引擎介面，缩小光引擎体积并降低成本，使传统灯具商更容易使用交流光引擎制作高品质灯具。透过智慧型光引擎整合电源及控制功能，光源将更容易依使用者需求调控，并降低系统成本。
(本文作者黄忠民为工研院绿能所固态照明系统研究室经理，龚哲民、王玫丹、黄祺峻为研究员)
