【導讀】在照明應用方面，LED的亮度優化，絕對是LED照明應用產品決勝的關鍵點，而在HBLED產品導入設計，不只要考量燈具的整體輸出效果，對于戶外型的路燈應用，必須從防水、耐候與安全各方面應用要素考量。
LED街燈、路燈應用，其節能環保特點，對節約能源具一定程度改善效用，因為傳統街燈大多使用高壓納燈達到所需的照明亮度要求，但高壓納燈的壽命較短、運行相對耗能，實際使用時不只是維護管理成本相對較高，耗用能源問題也相對讓其應用效益減低。
LED發光原理與材料特性與納燈、白熾燈不同，其采用半導體技術的發光效果，實際會因熱或外部電流變化產生亮度差異，尤其是長時間使用下，LED所發出的光亮會隨著時間增長而出現逐漸減弱現象。
LED要達到故障、損壞狀態，大多不會出現光源直接失效，而是會以發光效率緩慢下滑的狀態呈現，這對實際用于路燈或是其它照明應用相當具有效益，因為可在更換、維修方面不用過度急迫，而是可以有計劃地針對故障或光效率低落設備進行維護、替換，節省維運成本支出。
LED壽命長 驅動電路也需考量壽命問題
維持LED使用壽命，是現階段提升傳統光源換用LED環保光源效益的關鍵之一，因為產品壽命增長，代表著換用新光源的投入成本效益越高，同時，維護光源穩定服務的效益也相對提升。而提升LED使用壽命主要考量兩大因素，維護穩定運行電氣條件與其它外部影響問題。
在LED驅動電路設計，必須針對啟用與關閉驅動電流進行驗證，同時分析電路溫度狀態。一般而言，啟動時過高的瞬間電流可能會對整流或DC-DC電路產生不良影響，例如，影響關鍵元件壽命或運行效能。此外，驅動LED的電路應避免過大的驅動位準飄移，因為電子電路運行會因為相關元件的電氣特性而影響整體驅動能力表現。
圖1：首爾半導體開發的ACRICHE ACLED產品，可以AC 230V驅動。
對于舊有防止驅動電壓、電流飄移的電路技術，早期設計方案在使用元件性能有限與飄移控制要求較低，但在LED設計方案中，對于飄移控制的要求更高，必須使用更精密的控制電路。為達到高控制要求，會相對使控制電路的復雜度增加、相關應用元件數量增加，而控制電路的能耗也會因此增加，在電源設計方案中必須取得平衡。
戶外LED光源應用環境嚴苛 設計時需加以考量
尤其是路燈的運行環境相較室內用光源更為嚴苛，因為路燈照明應用環境必須能在高／低溫變化劇烈、高濕度與震動嚴苛環境下使用，尤其是LED驅動模塊在應用時持續處于高溫環境工作、模塊散熱條件相對較差，這導致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，同時還須考量產品量產的成本與終端售價是否具競爭力。
電能使用狀態方面，LED光源路燈模塊的運行環境溫度可能會從早到晚出現劇烈變化，而且此劇烈溫度變化可能每日往覆出現，這意味著路燈的電子電路系統在約4~5年的使用期限內，裝置與零件需面對近2,000次環境溫度劇烈變化考驗，這對于電子電路在穩定性、低功耗、低飄移問題改善設計上帶來巨大挑戰。
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LED功能失效特性 可降低維護成本
LED燈的使用壽命，主要是由LED的光輸出變化來判定，一般在LED亮度輸出表現低于正常值，則代表該顆LED燈泡或模塊已經接近損壞狀態。以實際的產品運行狀態觀察，若以LED燈具平均壽命50,000小時為基礎，在燈具采1A電流持續運行，其產品表現可分成幾個階段，第一個階段為驅動電路向上／下輸出飄移，接著是光源模塊的反射設計漸漸出現老化，緊接著為LED出現微小飄移，直至LED亮度持續降低至要求輸出之最低標準。
基本上LED燈具的失效判定，通常過程并不是馬上變暗、無法發光，而是當輸出亮度達到額定標準產品之輸出亮度的70%或更低時，才會認定該LED模塊已經進入可汰換的損壞程度；但即便沒有隨即更換該燈具，照明設備也頂多只是照明效率未如預期。LED燈具所發出的亮度會緩步降低、最后達到完全不亮狀態，這一損壞的過程在多數日常應用中還能接受，只是在部分對照明光源要求相對較高的應用場合，亮度緩步下滑至低標準是完全無法接受狀況，這類應用就必須馬上更換燈具。
圖2：Acrich2 ACLED在LED數量增加、亮度表現提升，可直接AC電源驅動，簡省驅動電路設計空間與成本
基本上LED元件本質仍屬于低壓驅動元器件，其驅動電壓在2~4.5V左右，加上LED需要恒定電流進行驅動、令元件達到照明要求之亮度、光色，因此LED光源驅動電路必須采用不同電源設計因應元件驅動需求，電源模塊設計以一套通用的狀況并不實用，必須針對產品的多樣性設計最佳化驅動電路因應。
目前可用的電源方案相當多，如交換式電源、線性電源、線性橫流穩壓器CCR(Constant Current Regulator)、高壓交換式電源、功率因數校正控制器PFC(Power Factor Correction)...等不同電源設計方案，來進行如AC-DC、中壓DC-DC甚至是低壓DC-DC轉換設計，開發所需之LED驅動應用環境。
另一方面，正因為LED低壓驅動電路設計復雜度高，在同時考量電路與料件成本下，因此有一方思考開發HV-LED甚至是AC-LED，來達到去除電源驅動的LED燈具設計概念。
對于HV-LED來說，只要能開發相關元器件，這代表驅動電路中的DC-DC轉換電路可以大幅簡化，加上現有交換式電源在12、24、36、48V等級距產品中，已有大量現成應用方案用于相關產品設計，只要LED元件具對應驅動電壓、電流設計，可直接搭配對應電源設計方案提供驅動設計，驅動電路可簡化、甚至不需DC-DC電路設計，達到節約驅動電路功耗與增加效能設計，同時又可大幅縮減成本。
至于AC-LED就更有趣了，AC-LED為集成橋式整流設計，其橋式整流所使用的二極管也是發光元器件的一部分，這可讓AC-DC、DC-DC電源設計簡化至僅需保留LED溫控與保護電路即可，而LED本身即可使用市電驅動發光。但AC-LED制作成本較高，而AC-LED的散熱設計相對更為集中，雖然AC-LED設計方案可大幅簡化驅動電路，但礙于關鍵元件成本不容易壓低，因此需在元器件成本大幅壓低后，才有投入市場的應用機會。
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不同LED照明設計方向 亦可增加元件發光效率
在LED光源應用方面，目前常見提升HBLED設計方案，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多，早期有使用高亮度藍色LED為基礎，再搭配YAG螢光粉體處理光學封裝材料，讓原本的藍光與螢光粉體產生螢光混光后，得到接近白光輸出的模擬白光輸出效果。現在有利用三色光混合方式，調配出近似真白光光色，或搭配GaN半導體材料開發白光LED，都是相當實用且已具量產實績的制作方式，在發光效率表現上已有持續性的大幅進展。
另一方面，也有廠商嘗試利用不同的設計思維，考量使用不同的技術來改善現有強化LED白光輸出可能會增加的元件限制，例如，要求白光LED增強輸出必須施加更高驅動功率，這會造成元件溫度增加、功耗增加，同時長時間使用溫度增加也會讓光源之光衰問題更早發生。
有監于此，即有業者朝白光雷射照明方案進行相關開發工作，例如，利用與白光LED相同的GaN材料開發白光光源半導體雷射元件，白光半導體雷射光源輝度可輕易達到10cd/mm水平，在芯片的封裝材料不使用螢光粉體搭配封裝，而是用藍光或藍紫色半導體雷射與白光半導體雷射搭配涂布螢光物質的光纖線材建構燈體，達到耗用僅原有LED光源1/10不到的功耗，就能完成近似的光輸出效果。
半導體雷射元器件搭配光纖結構所設計的照明方案，在功耗與制作難度均有相當不錯的表現，但實際上，此設計方案仍有半導體雷射元器件成本過高問題，加上半導體雷射的元件壽命較LED短(約只有3,000小時)，對于LED光源方案動輒要求30,000~50,000小時壽命之產品規格要求，仍有相當大的空間尚待努力改善。
