新世代的LED照明调光设计

摘要

面对一个看似非常简单的调光功能需求，现代的3G、4G、云端运算世代的电子业却束手无策。当红的媒体宠儿--智慧电网--对照明控制也完全无能为力。这难免让人怀疑整个智慧电网的概念，纯粹是一场炒作的泡沫闹剧而已。

绝大部分的电子电机工程师都感到同样困惑，为何谈到照明调光，我们还是要依靠一个古老的元件--SCR硅控管？设计一个调光功能，真的有那麼难吗？

其实困难点是在装置成本与市场的不确定性。若能自硅控调光器的优缺点以及其他调光方案装置成本来分析，许多困惑将可以澄清。
 
本文针对现有的调光方案进行解析。并提出几项大胆的预测：
(1) 硅控调光器将和白炽灯一起走入歷史
(2) 电子调光器与遥控调光器也没有市场前景
(3) EZ Dimming 是唯一通用可行的调光方案，也将成为无所不在的调光方式。

1.照明需求基准
首先让我们先了解照明需求的基准与调光节能的关係。照明设计须考虑光源强度，和被照物或被照平面所得到的光通量。光源强度的计量单位是流明 (Lumen)。照度的计量单位是 Lux。两者之间的关係是 1 Lux = 1 Lumen/m2
假设我们有一座 10W的LED檯灯，发出来的总光通量是600 Lumens。如果这600 Lumens全部集中在一平方米的桌面，那桌面的照度就是 600 Lux。
(1) 商用照明 -- 明亮的食物，尤其是麵包、汉堡、海鲜、 烧烤等可以刺激食慾。所以麵包蛋糕店、汉堡速食店、餐馆的橱窗要有 1000 Lux 以上的照度。珠宝、鐘表、衣饰店，也必须要有明亮的照度，以刺激购买慾。精密工业、彩色印刷、博物馆、画廊、眼镜店、3C卖场、书店、打字、制图、诊疗室都要有1000 Lux照度。
(2) 一般照明 -- 办公室、教室、量贩店、一般店面、咖啡店、快餐馆、工厂、生产线，则要有 300-800 Lux。
(3) 非工作场合 -- 如车站、机场、医院、大楼大厅、病房、走廊、楼梯间、厕所，则100-300 Lux即可。公园、停车场、与街道则可以低到 10-50 Lux。
(4) 非营业时段 -- 商用照明、一般照明在非营业时段，可以降到100-300 Lux。

适度的照明，对商店的竞争力，绝对有显着的影响。便利商店、百货公司一楼的重点专柜，包括化妆品、珠宝，照度都超过2000Lux。照明不足，就不会吸引注意力与购买慾。若照明过度不足，还会增加人员的疲惫感与睡意。一个明显的例子就是桃园机场的入境与出境大厅，照度严重不足。比起香港机场与成田机场的明亮程度，更让人感觉桃园机场的老旧、冷清。只有免税商店区，店家都是灯火通明。

表一、 各场所照明的基准

2. 调光节能
灯光是人为照明，在夜晚或自然光不足的场合提供足够的照度。但是灯光消耗电力，在不需要时关掉灯光是可以节约能源。不过在有些时段和情况，如果可以把灯光调到较暗的程度 (25~50%)，也是可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。
许多公用建筑或场所，如机场、车站、码头、停车场、街道、公园、百货商场、学校、医院、病房、工厂，在夜晚不宜把灯光全部关掉，否则有行动不方便或治安的顾虑。
办公大楼的大厅、厕所、走廊、楼梯间等场所，在下班后维持适度的照明，也可以方便加班工作的员工，并避免治安的死角。
24小时营业的便利商店、加油站、旅馆等，也可以在深夜生意较清淡时，把灯光调暗一部分，以节省电费。

3.现有主要调光装置
常见的调光器包括硅控调光器 (Triac dimmer) (前切式) ，电子式调光器 (后切式)，与遥控调光器 (红外线或RF式)。
(1) 电子式调光器 -- 可以添加许多先进功能。但是必须施工，更改灯具接线 (一般墙壁开关只有接往一条交流电线，无法提供电源予电子线路)，装置成本高。
(2) 遥控调光器 -- 可以添加许多先进功能。但有遥控器昂贵，容易遗失，公共场合不适用等问题。目前飞利浦与Sharp都有照明遥控调光器产品。价格相当昂贵，可调光的灯泡售价约是无调光灯泡两倍。遥控器另计，通常要价在$30 ~$50。遥控调光器另一缺点就是容易遗失，尤其是在公共的场所如学校、办公大楼等地方。
更糟的是，这两者都有灯具需要搭配相同厂牌的调光器，所以没有统一规格。也就是因为各厂牌互相无法相容，所以现有市场很小，未来也不太可能普及。
GE、Toshiba、Panasonic尚未推出遥控调光照明产品，相信不会采用竞争者的产品规格。诸大厂各行其是，就像手机的充电器一样，Nokia、Samsung、LG、Motorola 都互不相容。
(3) 硅控调光器 -- 电子式调光器、遥控调光器装置成本高，又无统一标准，所以古老的硅控调光器采用量稍多。虽然硅控调光具有许多缺点，但是因为不用改变接线，装置成本较低，各厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大，是许多LED照明厂目前选择的调光方案。

表二、 市面上可见的Triac Dimmable LED Lighting Driver IC

4.硅控调光器的缺点
但是硅控调光器会成为未来LED照明的主流调光方式吗？答案是相当不乐观的。首先来检讨硅控调光器的工作原理与其先天的缺点。
硅控调光器主要构成元件包括： (1)硅控管--用来截取交流电压部分导通角度，以改变灯具的输入功率 (2) RtCt timer--Rt为可调电阻，用来改变硅控管导通角度 (3) Diac--一种击发硅控管的元件。注意：硅控管在击发之后就维持导通状态，直到流通的电流降到 hold-up current (维繫电流) 准位以下。硅控调光器原来是为纯电阻性负载的白炽灯专用的，通常是无法匹配萤光灯与省电灯泡 (CFL) 。
硅控调光器的主要缺点包括：
(1) 功率因数会变差，导通角愈短，功因就愈差。调到1/4亮时，功因将低于0.25。
(2) 效率会变差，因为在调暗时，负载不足，会造成硅控管提早关闭，导致 RC timer与导通角错乱。更造成萤光灯或LED 灯操作无法稳定，而闪烁不定的问题。欲解决闪烁问题，通常要加装洩流电阻 (bleeder or dummy load)。如此一来，用bleeder来消耗功率以维持硅控管的正常操作，就违背了原先调光节能的立意。
(3) 匹配问题，要开发一种与市面上数十厂牌硅控调光器，都保证相容的可调光LED灯具，是相当困难的。硅控调光器的匹配问题，请参阅NXP Application Note AN10754。
(4) 高装置成本，雇请一个电气工人来装置硅控调光器至少需要 $30至 $50。
(5) 有限的既有市场，目前大部分办公室及商店照明都以萤光灯为主；而几乎所有的萤光灯都不能匹配硅控调光器。不管是在欧美，日本，或新兴国家，硅控调光器事实上都不普及。据统计，全美国包括家庭、商店、工厂与办公室，全部加起来约有七十亿灯管和灯泡。平均每个人备有28颗灯泡。但是装有调光器者，不到 1%。
照明大厂对硅控调光器前景不看好的几个实例就是上述Philips、Sharp推出的遥控调光器。但是不管硅控调光器或是遥控调光器，整个照明产业，显然没有共识。或者是说，当消费者不能接受昂贵的调光方案，而品牌厂商只有兴趣生产高利润的遥控调光器时，调光节能环保的美意就无疾而终了。
所以就如前述，我们现在处于3G、4G世代的电子业对一个简单的调光功能却束手无策，实在很讽刺。事实上，无法提供调光功能，是照明业者长久以来的一个窘境。LED照明业者，必须果断地突破这个僵局。更佳者，若能开创出一种接近零成本，不需要改变接线，不需要遥控调光器，又能维持高效率与高功因，又能立即被普遍采用的调光方式，就能让LED照明更可以和省电灯泡竞争。调光功能的突破，对整个LED照明产业，是一个非常重要的关键。

5.四段调光
在照明这种传统产业，「最可行的标准，就是原来的标准。最容易的方案，就是不需改变现状」。
LED 照明产业是一种渐进演变，不能改变现有照明系统的基础建设 (infra-structure)。不管是灯具造型 (PAR38, PAR30, A19, MR16, T8, T12)，灯具接头 (E27, E26, E17, G13 for T8, T12)，都很难再改变。到目前为止，比较成功的LED照明的产品，都是造型和使用方式与传统的灯泡和灯管很类似。日系LED照明厂在造型方面通常比较会沿用传统风格。比起造型怪异的省电灯泡，古典造型的LED灯泡自然会更受到消费者的喜爱。
我们可以推测，最可行的调光方式，就是不制定新标准，不改变现况，不需要改变接线，不增加任何调光器，就能达到调光功能的一种方案。在这样的条件之下，我们直觉想到可以利用的，就只有在最基本的wall switch 上动脑筋了。
四段调光 -- 在台湾大部分家庭的客厅，都装有可切换灯泡数目的控制装置。其原理是有一块控制板，装在客厅吊灯上方。当墙壁开关切换数次，控制板就透过几个继电器 (relay) 来改变点亮灯泡的数目。
但是四段调光器必须外接线路板，而且是改变点灯的数目。如何把四段调光做进单一灯泡之内，的确需要创意。以往有使用MCU来侦测墙壁开关切换次数，并改变萤光灯电子安定器的输出功率，但是线路板元件相当多，成本也不低。

6.EZ Dimming
就是採取用四段调光的基本概念，但把调光功能内建在一颗MSOP-10的 LED驱动器 之内，没有任何其他外接零件的需要。同时在各段调光准位时，都能维持高效率与高功因。因为EZ Dimming结合了正弦降压线路(sinusoidal buck)，或正弦正激线路 (sinusoidal forward) 的专利驱动技术, 所以能轻易达到这种高功因、高效率、线路最小、成本最低的调光方案。
EZ dimming侦测wall switch切换次数，来改变调光准位。自全亮开始，循序降到六分亮，四分亮，二分亮。并且在任何调光阶段，都维持高于0.90的功因、高于80%的效率。切换柔和，完全没有突波电流或噪音的现象。线路精简，几乎是零增加硬体成本。
比较其他各式现有的调光方案，EZ Dimming不只是赋有超越性的功能优势，而且不需要改变接线或任何硬体设备，装置成本最低。只要将传统的灯泡、日光灯管或者省电灯泡拆卸下来，再装上一颗配有EZ Dimming的LED灯泡或灯管，立即可以将一个原先毫无调光功能的照明器具或系统，改成一个具有调光功能、节能环保的照明系统。

图一  GM6182 高功因、高效率、具有EZ Dimming 功能的LED 驱动器

图二  EZ Dimming 四段调光的准位

说明: 左侧A灯进行四段调光，右侧B灯维持全亮度
左上: A灯全亮     右上: A灯60%亮     右下:A灯40%亮     左下: A灯20%亮

表三、  EZ Dimming 四段调光准位的功因

结论

照明消耗发电系统的20%电力。近年来，世界各国相继立法，欲淘汰低效率的白炽灯。省电灯泡虽然价格低廉，发光效率也很高，但是其含汞及使用大量玻璃，很不符合环保宗旨。LED照明具有比省电灯泡更环保、不放射紫外线等优点，但是目前价格偏高。所以LED照明需要提供一个省电灯泡所欠缺的调光功能，才能在这一波的白炽灯替代潮流中，很快争取到主要的市佔率。
若能让所有现有照明系统都改成高效率，而且具有调光功能的LED照明器具，对全世界环保节能将有很大贡献。
现有的硅控调光器、电子市调光器、遥控调光器都有许多难以克服的缺点。EZ Dimming结合了正弦降压线路，或正弦正激线路的专利驱动技术，所以能达到高功因、高效率、最低成本、立即可用的调光方案。EZ Dimming无疑是最佳的调光方式，也是协助LED照明完成第三次照明革命的重要发明之一。

作者：Ken Liu 新绿科技