LED街燈、路燈應(yīng)用，其節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)，對(duì)節(jié)約能源具一定程度改善效用，因?yàn)閭鹘y(tǒng)街燈大多使用高壓納燈達(dá)到所需的照明亮度要求，但高壓納燈的壽命較短、運(yùn)行相對(duì)耗能，實(shí)際使用時(shí)不只是維護(hù)管理成本相對(duì)較高，耗用能源問題也相對(duì)讓其應(yīng)用效益減低。

LED發(fā)光原理與材料特性與納燈、白熾燈不同，其采用半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)光效果，實(shí)際會(huì)因熱或外部電流變化產(chǎn)生亮度差異，尤其是長(zhǎng)時(shí)間使用下，LED所發(fā)出的光亮?xí)S著時(shí)間增長(zhǎng)而出現(xiàn)逐漸減弱現(xiàn)象。

LED要達(dá)到故障、損壞狀態(tài)，大多不會(huì)出現(xiàn)光源直接失效，而是會(huì)以發(fā)光效率緩慢下滑的狀態(tài)呈現(xiàn)，這對(duì)實(shí)際用于路燈或是其它照明應(yīng)用相當(dāng)具有效益，因?yàn)榭稍诟鼡Q、維修方面不用過度急迫，而是可以有計(jì)劃地針對(duì)故障或光效率低落設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、替換，節(jié)省維運(yùn)成本支出。

LED壽命長(zhǎng) 驅(qū)動(dòng)電路也需考量壽命問題

維持LED使用壽命，是現(xiàn)階段提升傳統(tǒng)光源換用LED環(huán)保光源效益的關(guān)鍵之一，因?yàn)楫a(chǎn)品壽命增長(zhǎng)，代表著換用新光源的投入成本效益越高，同時(shí)，維護(hù)光源穩(wěn)定服務(wù)的效益也相對(duì)提升。而提升LED使用壽命主要考量?jī)纱笠蛩兀S護(hù)穩(wěn)定運(yùn)行電氣條件與其它外部影響問題。

在LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，必須針對(duì)啟用與關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)分析電路溫度狀態(tài)。一般而言，啟動(dòng)時(shí)過高的瞬間電流可能會(huì)對(duì)整流或DC-DC電路產(chǎn)生不良影響，例如，影響關(guān)鍵元件壽命或運(yùn)行效能。此外，驅(qū)動(dòng)LED的電路應(yīng)避免過大的驅(qū)動(dòng)位準(zhǔn)飄移，因?yàn)殡娮与娐愤\(yùn)行會(huì)因?yàn)橄嚓P(guān)元件的電氣特性而影響整體驅(qū)動(dòng)能力表現(xiàn)。

圖1：首爾半導(dǎo)體開發(fā)的ACRICHE　ACLED產(chǎn)品，可以AC　230V驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于舊有防止驅(qū)動(dòng)電壓、電流飄移的電路技術(shù)，早期設(shè)計(jì)方案在使用元件性能有限與飄移控制要求較低，但在LED設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于飄移控制的要求更高，必須使用更精密的控制電路。為達(dá)到高控制要求，會(huì)相對(duì)使控制電路的復(fù)雜度增加、相關(guān)應(yīng)用元件數(shù)量增加，而控制電路的能耗也會(huì)因此增加，在電源設(shè)計(jì)方案中必須取得平衡。

戶外LED光源應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)苛 設(shè)計(jì)時(shí)需加以考量

尤其是路燈的運(yùn)行環(huán)境相較室內(nèi)用光源更為嚴(yán)苛，因?yàn)槁窡粽彰鲬?yīng)用環(huán)境必須能在高／低溫變化劇烈、高濕度與震動(dòng)嚴(yán)苛環(huán)境下使用，尤其是LED驅(qū)動(dòng)模塊在應(yīng)用時(shí)持續(xù)處于高溫環(huán)境工作、模塊散熱條件相對(duì)較差，這導(dǎo)致LED光源整體的可靠度降低。在高可靠度、高效率與低功耗要求下，同時(shí)還須考量產(chǎn)品量產(chǎn)的成本與終端售價(jià)是否具競(jìng)爭(zhēng)力。

電能使用狀態(tài)方面，LED光源路燈模塊的運(yùn)行環(huán)境溫度可能會(huì)從早到晚出現(xiàn)劇烈變化，而且此劇烈溫度變化可能每日往覆出現(xiàn)，這意味著路燈的電子電路系統(tǒng)在約4~5年的使用期限內(nèi)，裝置與零件需面對(duì)近2,000次環(huán)境溫度劇烈變化考驗(yàn)，這對(duì)于電子電路在穩(wěn)定性、低功耗、低飄移問題改善設(shè)計(jì)上帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
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LED功能失效特性 可降低維護(hù)成本

LED燈的使用壽命，主要是由LED的光輸出變化來(lái)判定，一般在LED亮度輸出表現(xiàn)低于正常值，則代表該顆LED燈泡或模塊已經(jīng)接近損壞狀態(tài)。以實(shí)際的產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)觀察，若以LED燈具平均壽命50,000小時(shí)為基礎(chǔ)，在燈具采1A電流持續(xù)運(yùn)行，其產(chǎn)品表現(xiàn)可分成幾個(gè)階段，第一個(gè)階段為驅(qū)動(dòng)電路向上／下輸出飄移，接著是光源模塊的反射設(shè)計(jì)漸漸出現(xiàn)老化，緊接著為L(zhǎng)ED出現(xiàn)微小飄移，直至LED亮度持續(xù)降低至要求輸出之最低標(biāo)準(zhǔn)。

基本上LED燈具的失效判定，通常過程并不是馬上變暗、無(wú)法發(fā)光，而是當(dāng)輸出亮度達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之輸出亮度的70%或更低時(shí)，才會(huì)認(rèn)定該LED模塊已經(jīng)進(jìn)入可汰換的損壞程度；但即便沒有隨即更換該燈具，照明設(shè)備也頂多只是照明效率未如預(yù)期。LED燈具所發(fā)出的亮度會(huì)緩步降低、最后達(dá)到完全不亮狀態(tài)，這一損壞的過程在多數(shù)日常應(yīng)用中還能接受，只是在部分對(duì)照明光源要求相對(duì)較高的應(yīng)用場(chǎng)合，亮度緩步下滑至低標(biāo)準(zhǔn)是完全無(wú)法接受狀況，這類應(yīng)用就必須馬上更換燈具。

圖2：Acrich2 ACLED在LED數(shù)量增加、亮度表現(xiàn)提升，可直接AC電源驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)省驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)空間與成本

基本上LED元件本質(zhì)仍屬于低壓驅(qū)動(dòng)元器件，其驅(qū)動(dòng)電壓在2~4.5V左右，加上LED需要恒定電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、令元件達(dá)到照明要求之亮度、光色，因此LED光源驅(qū)動(dòng)電路必須采用不同電源設(shè)計(jì)因應(yīng)元件驅(qū)動(dòng)需求，電源模塊設(shè)計(jì)以一套通用的狀況并不實(shí)用，必須針對(duì)產(chǎn)品的多樣性設(shè)計(jì)最佳化驅(qū)動(dòng)電路因應(yīng)。

目前可用的電源方案相當(dāng)多，如交換式電源、線性電源、線性橫流穩(wěn)壓器CCR(Constant Current Regulator)、高壓交換式電源、功率因數(shù)校正控制器PFC(Power Factor Correction)...等不同電源設(shè)計(jì)方案，來(lái)進(jìn)行如AC-DC、中壓DC-DC甚至是低壓DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，開發(fā)所需之LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用環(huán)境。

另一方面，正因?yàn)長(zhǎng)ED低壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，在同時(shí)考量電路與料件成本下，因此有一方思考開發(fā)HV-LED甚至是AC-LED，來(lái)達(dá)到去除電源驅(qū)動(dòng)的LED燈具設(shè)計(jì)概念。

對(duì)于HV-LED來(lái)說(shuō)，只要能開發(fā)相關(guān)元器件，這代表驅(qū)動(dòng)電路中的DC-DC轉(zhuǎn)換電路可以大幅簡(jiǎn)化，加上現(xiàn)有交換式電源在12、24、36、48V等級(jí)距產(chǎn)品中，已有大量現(xiàn)成應(yīng)用方案用于相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，只要LED元件具對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓、電流設(shè)計(jì)，可直接搭配對(duì)應(yīng)電源設(shè)計(jì)方案提供驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路可簡(jiǎn)化、甚至不需DC-DC電路設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)約驅(qū)動(dòng)電路功耗與增加效能設(shè)計(jì)，同時(shí)又可大幅縮減成本。

至于AC-LED就更有趣了，AC-LED為集成橋式整流設(shè)計(jì)，其橋式整流所使用的二極管也是發(fā)光元器件的一部分，這可讓AC-DC、DC-DC電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化至僅需保留LED溫控與保護(hù)電路即可，而LED本身即可使用市電驅(qū)動(dòng)發(fā)光。但AC-LED制作成本較高，而AC-LED的散熱設(shè)計(jì)相對(duì)更為集中，雖然AC-LED設(shè)計(jì)方案可大幅簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，但礙于關(guān)鍵元件成本不容易壓低，因此需在元器件成本大幅壓低后，才有投入市場(chǎng)的應(yīng)用機(jī)會(huì)。
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不同LED照明設(shè)計(jì)方向 亦可增加元件發(fā)光效率

在LED光源應(yīng)用方面，目前常見提升HBLED設(shè)計(jì)方案，是直接提高白光LED的輸出效能，白光LED提升亮度的作法相當(dāng)多，早期有使用高亮度藍(lán)色LED為基礎(chǔ)，再搭配YAG螢光粉體處理光學(xué)封裝材料，讓原本的藍(lán)光與螢光粉體產(chǎn)生螢光混光后，得到接近白光輸出的模擬白光輸出效果?，F(xiàn)在有利用三色光混合方式，調(diào)配出近似真白光光色，或搭配GaN半導(dǎo)體材料開發(fā)白光LED，都是相當(dāng)實(shí)用且已具量產(chǎn)實(shí)績(jī)的制作方式，在發(fā)光效率表現(xiàn)上已有持續(xù)性的大幅進(jìn)展。

另一方面，也有廠商嘗試?yán)貌煌脑O(shè)計(jì)思維，考量使用不同的技術(shù)來(lái)改善現(xiàn)有強(qiáng)化LED白光輸出可能會(huì)增加的元件限制，例如，要求白光LED增強(qiáng)輸出必須施加更高驅(qū)動(dòng)功率，這會(huì)造成元件溫度增加、功耗增加，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間使用溫度增加也會(huì)讓光源之光衰問題更早發(fā)生。

有監(jiān)于此，即有業(yè)者朝白光雷射照明方案進(jìn)行相關(guān)開發(fā)工作，例如，利用與白光LED相同的GaN材料開發(fā)白光光源半導(dǎo)體雷射元件，白光半導(dǎo)體雷射光源輝度可輕易達(dá)到10cd/mm水平，在芯片的封裝材料不使用螢光粉體搭配封裝，而是用藍(lán)光或藍(lán)紫色半導(dǎo)體雷射與白光半導(dǎo)體雷射搭配涂布螢光物質(zhì)的光纖線材建構(gòu)燈體，達(dá)到耗用僅原有LED光源1/10不到的功耗，就能完成近似的光輸出效果。

半導(dǎo)體雷射元器件搭配光纖結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的照明方案，在功耗與制作難度均有相當(dāng)不錯(cuò)的表現(xiàn)，但實(shí)際上，此設(shè)計(jì)方案仍有半導(dǎo)體雷射元器件成本過高問題，加上半導(dǎo)體雷射的元件壽命較LED短(約只有3,000小時(shí))，對(duì)于LED光源方案動(dòng)輒要求30,000~50,000小時(shí)壽命之產(chǎn)品規(guī)格要求，仍有相當(dāng)大的空間尚待努力改善。