高亮度發光二極體（high-brightness light-emitting diode，HB LED）的功率在不斷地增加：例如，Cree 公司已在供應 88 lm/W 的器件，並計畫在2007年讓 100 lm/W 的器件上市，而在五年內將會有150 lm/W 器件的出現。身為獨立元件，HB LED 比白熾燈（incandescent）甚至螢光燈都還要來得有效率。但是，在系統級上，它們的優勢就有所褪消退，因為你必須考慮它們所帶來的功率損耗問題，其中包括 AC/DC 和 DC/DC 轉換與電流調節。另外，LED 照明燈具（fixture或luminaire）也會帶來損耗，LED 組件本身亦會有熱損耗的產生。
美國能源部（Department of Energy，DOE）最近針對固態照明（solid-state-lighting，SSL）燈具完成了一份新的能源之星規範，這樣系統設計者便可以對照明光源（lighting source）與照明設備採用相同的比較數字。新規格並非著眼於 HB LED 在元件級上的發光效率，而是整體的燈具效率。
電流驅動的 LED 光是直接與正向電流（forward current）成正比。這些器件具有與二極體相同陡峭的電壓-電流曲線，在曲線上，電壓的小小變動就會導致電流的一個相對較大的變化，亮度也會產生變化，因此控制電流比控制電壓更重要（參考文獻 1）。許多從事電源控制器業務的 IC 製造商都已進入 LED 驅動器電流調節器（LED-driver-current-regulator）的市場。這些供應商包括：德州儀器公司、美國國家半導體公司、Intersil、Cypress、Maxim 和 Linear Technology。
除了電流調節器以外，照明系統可能還必須包含了一個 AC/DC 轉換器，採用電池供電的系統可能需要一個 DC/DC 升壓轉換器。總之，僅轉換方面，就可能損失 10％ 至 15％ 的系統功率。另外，由於反射和鏡頭的損耗，設備中 SSL 的亮度損失可能高達一半。
能源之星 SSL 規範的標準將在 2008 年 9 月 30 日生效（參考文獻 2）。該規範有兩個部分。Category A 包括今天現有的器件。它表示，一個符合 Category A 的嵌入式（recessed）照明燈具（或“下射聚光燈（downlight）”）必須為 35 lm/W。Category B 則將包括三年內會出現的高效 SSL 設備。屆時，SSL 便能夠與今天採用傳統光源的高效照明燈具競爭。例如，現在最常見的高性能 T8 螢光燈和電子安定器系統（electronic-ballast system）約可產生 100 lm/W。這些螢光安定器系統的高品質產品約可達到70％ 的效率，獲得 70 lm/W 的燈具效率。而採用今天已商業化的 SSL 技術時，HB-LED 燈具無法達到 Category B 級的最小發光效率。不過，LED 技術正快速地在發展中，未來將可以滿足能源之星 Category B 的要求。但 LED 除了效率和長壽命以外還有其他優勢，值得我們在獲得更高效率以前繼續追求。例如，在螢光照明中，亮度調節（dimming）非常困難，但對 LED而言，只不過是直接減少電流而已。另外，你可以用多個冷白色（cool-white） LED 和暖白色（warm-white） LED 陣列，動態地改變一個房間的顏色。SSL可望將在未來五年之後成為家庭與工業照明的一種重要技術（參考文獻 3）。
今天可用的多數 HB LED 都需要直流電壓和電流，因此，大多數 SSL 系統都含有轉換電路，將交流電源轉換為穩壓的（regulated）直流電源。不過，Seoul Semiconductor 最近推出了一款 Acriche HB LED，它可以直接用交流電源工作（圖 1）。可以用一顆表面黏著電阻設定輸入電壓，範圍從 100V 至 110V ac 和 220V 至 230V ac。在裸晶（die）級，LED 包含了多層的 LED 半導體接面（LED-semiconductor junction）。該二極體接面會一直增層（build up），直到總正向電壓接近於 110V 或 220V 的交流電壓。這些器件有兩串背對背的 LED。第一串導通，並在正半電壓週期內傳導，而第二個在另一半的週期內導通，因此 LED 可在整個交流電壓週期內發光。直接採用交流電工作簡化了電源轉換電路，提高了系統的可靠性，並縮短了設計的時間。Acriche HB LED 有兩種型號：用於 100/110V 的 AW3200 和用於 220/230V 的 AW3220。兩種型號均提供 59 lm/W，它低於直流供電的 HB LED 的發光，但也相差無幾。
隨著能量成本持續上升，照明效率的重要性也日益增加。美國 DOE 估計，照明要消耗一座建築 20％ 的電力。然而，在發展中國家經常缺乏可靠的電力網（grid power），個人可以使用太陽能 SSL 為電池供電，從而獲得可靠的夜間照明。唯一的其他選擇是煤油燈（kerosene lantern），但它既危險又昂貴（參見附文“固態照明是對缺乏照明國家的有效救濟”）。
HB LED 除了明顯的效率和壽命優點之外，還有其他的優點，並使得它們對非傳統的照明應用也很有吸引力。例如，它們有狹窄的光譜，這讓它們適合用於膽紅素燈（bilirubin light）。膽紅素是一種紅黃色的有機物，來自紅血球解體所產生的血紅蛋白。過高膽紅素會造成高膽紅素血症，症狀為黃疸，即包括鞏膜（即“眼白（white of the eye）”）等組織和體液呈黃色。雖然膽紅素低一般不是什麼問題，但大量膽紅素會循環到大腦組織，可能造成新生兒癲癇和對大腦的傷害。所幸，光照療法（phototherapeutic treatment）通常對此種病症有效果，因為膽紅素會吸收藍光，分解為水溶性的形式（water-soluble form）而排出體外（圖 2）。458 至462 nm 區域中的窄帶藍光最有效。過去，膽紅素治療光線都採用訂製的藍色螢光燈管和彩色過濾器（color filter）。但是，螢光燈的光譜相對較寬。儘管其分佈中心是位於所需的波長之上，但光譜分佈會在兩端下降，表示能破壞膽紅素的光能量下降，因此治療時間將延長。與之相比，藍光 LED 膽紅素燈具具有正確的頻率，幾乎不會浪費光能量。另外，LED 的膽紅素燈具有機械穩定的特性，更長的壽命，也比螢光設備便宜。在未來，光照療法將能透過“光照服（light cloth）”提供光照，提供比光照箱（light box）更有效的治療方法。
HB LED 與傳統白熾照明或螢光照明的一個顯著差異是，HB LED 有更多的封裝變型。因此，你可預期將會有更多關於封裝的標準，但至少五年內不會出現這種情況。Cree 商務發展總監 Mark McClear 預測說：“每次我們使 HB LED 更亮、更方便攜帶和更高效時，都實現了更多的應用。我們位於一個陡峭的曲線上，要一次完成三個目標，一個重要的部分是封裝。我們有一種類型的封裝；我們的競爭對手就可能有另一種 ，不會讓客戶混淆，因為（一種類型封裝）有更多的光輸出，光是最重要的。”
Avnet LightSpeed SSL 與 LED 業務部總監 Cary Eskow 表示，HB LED 的快速發展帶來了有關眼睛安全性的問題，這些器件的設計者對此一般都忽略了。他說：“HB LED 的快速發展可能會超出安全與細心的設計。”對眼睛最直接的威脅來自於光的強度：有些 HB LED 可以從一個小片裸晶中產生高達 150 lm 的光。在某種情況下，這種光強度可以透過光熱效應和光化學效應過程而造成對眼睛的傷害。對這些類型的傷害，我們人體的眨眼反應沒有多大的保護作用，因為在發生傷害的可見光譜末端，不會出現這種反應。
光熱（photothermal）傷害出現在視網膜溫度增加大約 10°C 時。由於熱量傳過視網膜的方式，這種傷害直接與斑點的尺寸（spot size）有關；它隨著焦點的增大而增加，就像刺在皮膚上的一根針會造成遠高於相同壓力手指的疼痛。隨著波長從約 550 nm（綠色）經由黃色、橙色和紅色延長到 IR（紅外線），這種類型的傷害逐漸成為主要的部份。
另一方面，強烈的紫外線和藍光會造成眼睛的光化學傷害。藍光和短波長的危險性比 IR 輻射高出 1,000 倍。同樣地，在這種情況下，眨眼反應也是沒有用的。Eskow 強烈建議設計者將 HB LED 列入主要的設計考慮因素，因為這些器件正成功地進入越來越多的應用中，從照明到醫療設備，甚至玩具。
作者簡介
有興趣的讀者可透過以下的方式與技術編輯Margery Conner聯絡。電話：1-805-461-8242 ；電子郵件信箱： mconner@reedbusiness.com。
參考文獻
1. Eskow, Cary, “Light matters: designing illumination systems with high-brightness LEDs.”
2. “Program Requirements for Solid State Lighting Luminaire(燈具)s,” Energy Star, Sept 12, 2007.
3. “Solid State Lighting: LEDs Poised to Drive a New Lighting Revolution, says iSuppli,” iSuppli, Nov 7, 2007.
附文
附文
固態照明是對缺乏照明國家的有效救濟
大約 16 億人生活在有充足陽光但電能不足的地區。這些人通常使用昂貴、污染嚴重或危險的方法來獲得基本的照明。現在，發光二極體（light-emitting-diode，LED）技術的快速發展可望現實成本低廉、普遍存在、不依賴於電力網的太陽能照明。
一種新產品的概念包含一個筆記型電腦大小、安裝在屋頂上的太陽能板；複雜的室內走線；以及一個鉛酸膠體電池（lead-acid gel battery），它可為八顆串聯的 700 mA、3.75V 高效 LED 供電（圖 A）。Intersil 的 ISL97801 HPLED（大功率 LED）驅動器啟動了此一電路。這個驅動器有一個整合 3A 開關、I/O 短路保護，以及一個可配置的降壓或升壓驅動架構。除了 PWM 亮度調節（dimming）以外，ISL97801 還可以用類比控制，用旋轉開關或以上/下（up/down）為介面的數位電位器提供人工的亮度調節功能，從而進一步節省能源。
Intersil 已在實驗室中驗證了該電路，電路為18W 的照明，以 700 mA 和 12V 驅動八顆 HPLED。在 700 mA 和 100 mA 輸出電流下，效率分別可達 91％ 和 88％。一般來說，LED 亮度從 25°C 到 100°C 時會降低 20％；因此，熱量管理是個關鍵性的問題。為減少發熱問題，必須將 LED 安裝在一個覆有金屬的印刷電路板（PCB）上，並使用適當的散熱方法。如果成本許可，可以將多串 LED 並聯，用一些邏輯設計來循環執行各個 PWM 信號，以此減少 LED 功耗，並維持 LED 的平均無故障時間（mean time between failures ，MTBF）。如果應用的外形尺寸小，從太陽能板為 12V 電池充電，則 18W LED 燈可以工作數小時，對於大多數需要的人來說，這是一個可以接受的照明時間。
作者簡介
Alan Li 是 Intersil 公司(Milpitas, CA)消費電源產品的一名應用工程師。
圖 1 Seoul Semiconductor 的 Acriche 系列 HB LED 直接使用交流電壓，不需要電源轉換或穩壓。它提供 59 lm/W 的光。
圖 2如 Natus Medical 產品的藍光 LED，其目標是最高效的 458 至 462 nm 藍光光譜，可用來對嬰幼兒的膽紅素血症之治療。
圖A 在缺乏可靠電力網的地區，利用一片太陽板來對電池充電，可能是一種替代煤油燈的安全且具成本效益的替代方法。此一電路可以以手動的方式來調節亮度，以進一步節省電源。
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Figure 1, Figure 2, Figure A
