固態照明模組朝精簡、整合方向邁進
- DIGITIMES企劃
-
為了節能與環保目標，傳統白熾燈已在全球相繼被禁用，為了滿足環保照明需求，LED照明產品成為最有機會取而代之的照明技術，為了簡化設計同時降低成本，採用模組化、電路載板一體化設計已經在照明產品形成一股潮流...
現有絕大多數的LED照明產品，大多仍會採用光源、控制電路、驅動電路各自獨立的離散設計方案。採取離散設計並非不佳，只是離散設計會增加PCB與連接器用量，同時繁複的零組件亦不利大量生產，使用SoB(System on Board)設計方案將原本離散設計的產品一一整合，在製造端即把產品組構完成，可簡省不必要的機殼與連接器使用，PCB面積更小自然可節省成本費用。
SoB設計難度高 電子電路必須高度簡化整合
但SoB設計並不簡單，在開發端必須將相關線路進行簡化，由於LED照明產品會在關鍵元件「LED」顆粒上產生高溫，與電源與控制電路整合元件高溫恐會影響電路正常運作，元件該怎麼佈局才不會出現線路、元件過熱問題，必須在機構和電路設計上重新整體考量。但透過SoB將光源的LED元件、驅動電路/元件整合在同一片PCB上，最直接的效益就是可在成本上更為節約，但前期的設計樣式仍需要經過反覆驗證、修正，複雜度併不亞於離散式的電路配置設計。也因為如此使整合型態的設計在難度與複雜度也相對較高，多數的LED照明模組仍採用常見的分離設計，以較多的零件、連接器與機構設計整合燈具應有的各部分功能單元。
LED照明模組 導入SoB設計可增加產品優勢
現有市面的LED照明模組產品，在前面的論述也有提及，現存設計大部分仍使用獨立模組架構設計，也就是說LED將發光部份(LED光源元件)與驅動部分(LED驅動電路)採分離式設計，即使現有相當多業者針對LED驅動電路開發各種高度整合的驅動元件，以減少離散式設計所造成的成本過高、線路較複雜等問題，但若仍採與LED光源區隔分開的分離式設計，即使驅動元件已大幅整合改善離散元件數量，對於實踐設計的現況仍是驅動電路與光源分離的設計型態，PCB成本較高，產品的耐用度也增加更多風險。
為求改善LED照明產品的成本架構、透過壓低終端售價加速市場應用普及，發展LED照明應用的廠商紛紛積極發展光/電元件高度整合、一體化的設計模組！所謂的光/電整合設計，即是將LED照明光源的LED元件、與驅動電路/保護電路設置在同一片PCB電路板之上，如此一來PCB的用量從以往至少需要兩片(LED元件照明模組、LED光源驅動模組)，若光源與驅動模組整合，就能減少一片PCB板，兩個模組也能用PCB上的銅箔線路直接連接，而不需透過連接器與線路再進行組裝。
SoB設計方案可將PCB數量減少
透過這種SoB形式，PCB等於直接焊上LED光源元件、被動元件、驅動IC等關鍵零組件，零件可以透過自動打件機在極短時間內完成，元件上料、打件可快速進行，不只是SoB整合設計省下了PCB與連接線、連接器成本，透過自動化生產機制，SoB可在單站或幾個工站就能完成LED照明產品近7成的製作完成度，也因為SoB減少了大量的構裝元件與程序，人力成本亦大幅減少。但採行SoB設計方案，也並非完全沒有缺點，因為驅動IC、被動元件、LED光源元件都設計在單一載板，若對於要設計多照明方向或參照球泡燈的圓形光型設計方式，就會變成平面化的SoB設計在立體或是多樣佈局顯得變化較有限。
而SoB設計中，由於LED光源與驅動電路為共同焊在同一片PCB，選擇光源LED就成為SoB單片設計中相當關鍵的事情，因為元件設置等於對光源基礎也定了型，即便燈具可利用二次光源元件改善照明光型，但對於LED光源的基本佈局就無法再進行修改。對於光/電一體化的LED照明模組方案中，LED與驅動元件可以佈建在FR4 PCB上面或是選用散熱更佳的鋁基板。
驅動電路簡化才能發揮SoB設計效益
但對於高亮度的設計方案中，因為LED光源的驅動電流較高，在實際的SoB線路佈局必須考量LED光源元件本身的散熱需求，在線路佈局方面必須以LED顆粒的分散佈建方式為主，使LED光源元件可利用足夠空間進行散熱，透過光源分佈平均達到熱能均勻分散，降低LED照明燈具本身的熱處理難度。在實際設計SoB方案時，較常見的設計方式會是採取選用中功率的LED光源元件，藉此降低SoB設計的散熱問題難度，利用中驅動電流搭配LED光源元件，可讓LED顆粒排佈較為緊密。
在實務設計方面，SoB設計方案使用體積較小的驅動IC解決方案，可以讓整體LED光源顆粒佈局有更多彈性，因為驅動IC不會因為體積較大擋到LED排佈設計，也可避免因為驅動IC阻擋影響了SoB光型排佈的實際效益，除了驅動IC體積需注意外，事實上被動元件的尺寸也是關注重點。雖然採用雙面PCB上料也可以將發光元件集中在一側上料、驅動IC/被動元件集中在另一側上料，但實際上為了自動化生產更單純、快速，降低成本的作法多會採用單面上料，讓流程更加簡便，故LED發光元件佈局就需要避開驅動IC/被動元件，或是選用小型化料件進行設計組構。
對於光源/驅動電路一體化設計方案，因為驅動電路與光源都已經在設計階段就結合了，也會使得系統壽命只要驅動電路或是光源任一零組件出現問題，就等於此光源模組故障報廢，需更注意系統有效使用壽命的設計，不僅在光源部分需要挑選壽命較長效的LED光源料件外，也必須更重視整合的驅動線路、料件的使用壽命問題。
LED照明產品 需選用體積小、元件少、壽命長的驅動方案
常見的LED驅動電路架構大多可分數類，如搭配限流電阻的電路架構、或是使用交換式電源設計的電路架構、或選用線性電流驅動的LED驅動電路架構。但限流電阻的電路架構為透過線路中的串聯電阻，進行控制流向LED光源器件的順向電流量，但此種設計方式存在頗多缺點，已漸漸改用線性定電流驅動架構進行LED光源驅動設計。
另外交換式電源的LED光源驅動方案，雖然電路具高能源轉換效率優勢，但實際上交換式電源必須搭配磁性元件進行能量傳遞，這會造成交換式電源的驅動電路產生體積較大、線路相對複雜的問題，同時交換式電源所需的離散元件較多，並不適合導入LED照明應用的模組設計中，使用交換式驅動電路反而會造成照明應用設計的新限制，例如終端產品微縮設計不易，或是產品設計複雜度偏高等問題。反而是採行線性定電流的LED光源驅動電路架構，可以因為不需外部儲能或能量轉換元件，可大幅簡化線路設計複雜度，也具備體積小、成本低、離散元件少等設計優勢，適用於SoB單電路板的照明模組設計方案。
此外，一般電子電路中，容易造成使用年限變短的問題，多半是發生在電解電容器、磁性元件壽命所造成！若要有效提升驅動電路的壽命表現，可朝電子電路在去電解電容、去磁性元件作思考設計，可有效使驅動電路的壽命表現更長。
