LED光引擎和照明產品模塊化設計
林洺峰 胡繼忠
摘要：模塊或稱模組在汽車、航天及電子和通訊信息產業已被廣泛運用，現今模塊化產品比比皆是。不單有嚴謹之定義，且已由歐美企業與高校發展成方法論，產品及產業都已具備完整的標準體系，并依據此嚴格要求代工生產廠家，將產品可靠度與質量提升極致。當LED照明產品持續的擴大應用范圍并逐步邁向產品成熟期的同時，更多的層面與承先啟后的環節需要預先考慮，尤其是影響企業與產業發展至巨的產品互換性、兼容性、通用性與可持續性。
筆者長期關注LED照明產品與企業發展，有感于現今LED照明產業一窩蜂的現況，導致市場秩序混亂及業主質疑不斷。乃多方搜集匯整產品材料、報告與文獻，并與地方政府、業主及安裝維護單位持續交流。在此，根據多年積累的工作經驗，將模塊化產品相關基本設計概念、定義、目的、效益、方法與成功經驗分享于眾，從終端用戶、企業自身、照明產業鏈發展角度探討問題，拋磚引玉思考未來，期以集思廣益尋找解決方法和出路。本文內容分三部分，主要先回歸基本定義，希望借IT產業的成功經驗，說明模塊化設計和產品架構的方法，并強調LED光引擎或模塊化設計有效性驗證與不斷設計創新突破的重要性。
關鍵詞：模塊、光引擎、模塊化設計、整體式設計、互換性、兼容性、通用性、可持續性
Key words: Module, Light engine, Modular design, Integral design， Interchangeability, Compatibility, Commonality, Sustainability
一、引言
綜觀近年來LED照明市場情況，國內相關產業規模及產業鏈已初步形成，但大多著力于LED本身、材料、制程與整體式照明燈具產品的開發以及試點與示范項目的照明應用。當LED照明產品持續的擴大應用范圍并逐步邁向產品成熟期的同時，更多的層面與承先啟后的環節需要預先考慮，尤其是影響企業與產業發展至巨的產品互換性與兼容性。
目前關心的焦點主要為：性價比、高光效、大功率散熱、光衰、光學設計與配光、電源與控制、標準建立等，雖然仍有瓶頸，但技術改善與突破指日可期。當此類探討方興未艾，當LED長壽命與節電不斷的被強調，我們的廠商是否應當拉長時間軸面向企業的長期發展思考？是否也應認真的面對終端用戶的使用、維護與長期最終利益的保障？
環境保護不應當只著重節能減排！我們產業應當認真的思考：當長壽命的LED產品最后壽終正寢，此期間若有衍生的故障品、報廢品與滯銷品，其中多少成品與材料，會成為“科技垃圾”(garbage generated from the technological products)而難以處理！相對于前述的熱門議題，這些實在顯得欠缺關懷，未來可能受害者的呼聲似乎也顯得薄弱，且未受到重視。
現今，國內外廠家百花齊放、紛紛推出“形形色色”的LED照明產品，大多不能互換，性能也各不兼容。以道路照明為例，傳統光源與燈具早已實現標準化，光源和電器規格均已形成標準產品系列，且各家產品多可互換，為使用者日常更換和維護提供了便利。反觀LED燈具，產品紛亂、欠缺完整系列、供貨廠商間的產品不能互換，導致應用與后續維修工作受限。另由于LED技術更新換代快速，備品與新產品的性能能否保證兼容性，有待觀察或者需要廠家承諾提供相應配套服務。
LED照明產品樣式繁多，照明燈具廠商各憑本事各自發展占領市場，由市場角度可以預見：市場會被分化成小區塊(segment)。相關部件的供貨商面向如此多樣化的規格要求，易造成質量與產能的不穩定，供貨速度與價格難以有效搭配，對照明燈具廠商供貨勢必產生負面影響。久而久之，企業內部及供貨商的標準品(含部件)無法固定，共享件(common parts)自然不足，質量穩定、產能提升、價格與供貨速度同樣受限，無法滿足市場競爭與發展需求。
因此，“互換性”、“兼容性” 與“通用性” 是照明燈具產品發展與市場接受的關鍵環節，如果無法被LED照明產品廠家及業主(終端用戶與維護者)共同關注且有效銜接實現，則廣范圍、大規模的項目應用、供應鏈產能的穩步提升及企業自身與國內產業做大做強，都會直接受到嚴重的沖擊。
近期，多位專家、學者及廠家提出模塊化燈具會是LED路燈產品的重要發展趨勢，光引擎組成的路燈如雨后春筍。筆者長期關注LED照明產品與企業發展，有感于現今LED照明產業一窩蜂的現況，導致市場秩序混亂及業主質疑不斷。乃多方搜集匯整產品材料、報告與文獻，并與地方政府、業主及安裝維護單位持續交流。在此，根據多年積累的工作經驗，將模塊化產品相關基本設計概念、定義、目的、效益、方法與成功經驗分享于眾，從終端用戶(end user)、企業自身、照明產業鏈發展角度探討問題，拋磚引玉思考未來，期以集思廣益尋找解決方法和出路。本文內容分三部份，主要先回歸基本定義(back to basics)，希望借IT產業的成功經驗，說明模塊化設計和產品架構的方法，并強調LED光引擎或模塊化設計有效性驗證與不斷設計創新突破的重要性。
二、LED燈具與光引擎基本定義
目前，制造照明LED的產業群體對照明電器基本知識和要求的了解仍顯不足，而傳統的照明燈具生產群體也往往缺乏對照明用LED特性的廣泛而深入了解，在設計和應用中沒有充分地利用LED的特點，進行揚長避短的發揮與有效運用，所以在照明LED應用到照明裝置中時，造成了很多不合理的甚至是錯誤的設計。為此，有必要由基本定義起兩相銜接，本文摘錄參考文件[3][4]作為論述之基礎。
燈具、燈及LED模塊的定義：
– 燈(lamp)：為產生光輻射(通常為可見的)而制作的光源。(注：此術語有時也用于某些類型的照明器)
– LED陣列(array)或模塊(module)：在印刷線路板或基板上的LED封裝（組件）或芯片的組件，可能帶有光學組件、附加的熱、機械和打算連接到LED驅動器負載側的電氣接口。該裝置不含電源和標準燈頭。該裝置不能直接與分支電路連接，如圖-1。
l LED模塊的型式包括：自鎮流LED模塊(self-ballasted LED module)、整體式LED模塊(integral LED module)、整體式自鎮流LED模塊(integral self-ballasted LED module)、內裝式LED模塊(built-in LED module)、內裝式自鎮流LED模塊(built-in self-ballasted LED module)、獨立式LED模塊(independent LED module)和獨立式自鎮流LED模塊 (independent self-ballasted LED module)等，上述各種LED模塊均屬于光源。
圖-1 LED陣列與模塊[Adapted from TTelectronics/OPTEK Technology]
– 燈具(luminaire)：凡是能分配、透出或轉變一個或多個光源發出光線的一種器具，并包括支承、固定和保護光源必需的所有部件(但不包括光源本身)，以及必需的電路輔助裝置和將它們與電源連接的裝置。(注：采用整體式不可替換光源的發光器被視作一個燈具，但不對整體式光源和整體式自鎮流燈進行試驗。)
LED光引擎(light engine)的定義：
包含LED封裝(組件)或LED陣列(模塊)、LED驅動器、以及其它光度、熱學、機械和電氣組件的整體組合。該裝置要通過一個與LED燈具匹配的常規連接器直接連接到分支電路，該LED燈具設計成不使用標準燈座。
(a) 2008年產品 (b) 2009年產品 (c) 2010年產品
圖-2 LED光引擎產品[5]
但從國內產品推出情況觀察，尤其在道路與隧道照明方面，除行之有年的整體式燈具，市場上自2008年起已有許多以LED光引擎組合成的燈具推出，如圖-2 [5]，但未有LED光引擎專業供貨商�？傮w而言，LED光引擎組合成的路燈或隧道燈燈具，仍如同原先大多數整體式燈具，跳脫不了“舊瓶裝新酒”的做法，未能有效針對LED新光源特性揚長避短，也未能有效發揮LED光引擎及模塊化設計(modular design)的特性與優點。
如此，勢必造成市場充斥多樣化的產品，當廠家獨善其身，各行其事，縱使應驗學者專家與市場的預期，但就業主及維護單位所關切與質疑的基本問題：“互換性”與“兼容性”，并不見實質性得到解決。如此，多元化與多樣化發展的結果，雖可以努力將市場擴大，但可能導致市場區塊小化，或者，也可能反將市場做小。
產品發展與推廣有其過程，但再次另人憂心不已的是：為數眾多的LED照明廠家是否能從產品本身、企業自身、最終用戶及產業供應鏈的角度，分辨清楚整體式LED路燈燈具缺點為何？LED光引擎組合成的路燈燈具與之差異為何？最終廣為市場接受的產品到底為何？
綜觀國內外產業與產品發展，以模塊化設計的產品在許多市場已形成主流，其中首推個人計算機(PC)的成功與普及，幾乎所有PC產品都奠基于相關零組件的標準化(standardization)與模塊化(modularization)。同時，模塊化產品設計也成功運用在：打印機、筆記本計算機、相機、手機、電動手工具、工具機、汽車、飛機等產業，并成功的發展出系列產品。不單產品功能持續提升而且市場快速擴大，與此同時帶給廣大消費者的是：功能需求的滿足和生活中的種種便利。
簡要言之，互換性、兼容性、通用性、可持續性是模塊化設計產品對市場、企業及產業形成巨大效益的基本目標與精神！另外，全球化機種共享產品平臺(product platform)的概念，也被上述等產業廣泛運用。足見模塊化、標準化、產品平臺的技術運用，不但是達成快速開發、提升質量、客制化設計以及降低成本關鍵要因，也已成為產業進行全球化同步工程(concurrent engineering)與協同設計(collaborative design)時重要的實踐手段。
鑒于LED照明產品、技術與企業發展需高度有效整合各專業領域與經驗，故有必要由模塊化基本定義到產品設計成功實例，從產品設計理念與模塊化特性到效益驗證，從企業到產業價值鏈(value chain)學習并借鑒經驗，然后可依LED特性及照明產品需要加以發揚光大。
三、模塊化設計與產品效益(以IT產業為例)
模塊或稱模組(module)在汽車、航天及電子和通訊信息產業已被廣泛運用，現今模塊化產品舉目比比皆是(附錄 I.)。不單有嚴謹之定義，且已由歐美企業與高校發展成方法論(methodology)，產品及產業都已具備完整的標準體系，并依據此嚴格要求代工生產廠家，將產品可靠度與質量提升極致(maximized)。模塊化設計，除需具有明確定義(product definition)與產品架構(product architecture)外，并具備可發展為產品平臺，依此平臺有效持續發展，擴充產品組合(product portfolio)或產品系列(product family)之效益，亦即：標準化、互換性、可擴充性和可發展性是模塊化設計的基本設計精神、目標與產品發展策略。
模塊化與模塊化產品定義：
模塊：
– 是指由多個組件(components)組成的次系統(sub-system)，是具備特定功能的單元，一般稱之為功能模塊或簡稱模塊
– 對整系統而言，模塊的功能可以被明確區分，各模塊相互獨立但具特定之接口 (interface或稱為接口)，并且共同運作完成系統功能
組件：
– 指系統結構中最底層,基本上無法再予以拆分的單元
– 標準組件(standard component), 指在市場上流通的組件, 且是公司其它項目中已承認或量產使用的組件
整體式設計與模塊化設計差異[6]：
對產品而言，一個組件代表執行一項功能，而透過這些組件互相關聯所集成的功能便形成產品。這些組件的規格定義了組件間的互動關系，并說明輸入及輸出的連接方式。另加上一組完整的接口規格，便形成了產品結構。產品結構依照各功能與實體組件對應方式的不同，可分為整體式(integral)結構與模塊化(modular)結構。Ulrich(1995), Fujimoto(2005)等學者曾針對此兩類產品結構加以比較說明如下：
1. 整體式設計(integral design)
整體式設計以“最佳化”產品為主要目標，其產品功能關系比較復雜，基本上是以非一對一的方式對應到實體組件上，且組件有接口彼此匹配。組件及組件間接口的設計是在不斷重復的最佳化過程中確立，產品結構亦于最佳化產品設計完成后才定義。由于組件間以接口彼此匹配，因此任何功能上的改變將需同時變動數個組件，同時，由于組件的設計流程不具彈性，故難以達到產品多樣化。
2. 模塊化設計(modular design)
模塊化設計的產品結構之功能以一對一的方式對應至實體組件上，組件間接口彼此匹配。并且組件在完整(特定、標準化的)的接口結構下設計，故允許工程師同時、自主且分散不同地點的方式進行設計。而且，模塊結構能讓特定組件以接口標準化的方式搭載于不同產品中。當周圍的組件變更時，各別組件不需跟著改變。
因此，模塊化設計其設計策略(design strategy)是在產品設計開發過程中，將功能運作相關的組件依據產品架構合并為單一模塊，經由分析組成模塊間的相關性與工作程序，設計組合所需接口并決定最佳的模塊配置方式：
– 模塊是標準的、獨立運作的、并且是可置換的單元。目標是減少產品結構的復雜度，使產品開發過程中的不確定性與復雜度降至最低，并使制造或組裝資源更有效率的被運用。
– 可應用在不同的產品，共享相同的模塊，可以縮短產品開發時程(cycle time)，降低研發與產品開發成本。
– 另外，針對不同客戶，為達成客制化設計(customized design)目的，使用不同模塊組成產品(系統)，可創造產品變異性(variation)與差異化(differentiation)。
但模塊化設計與模塊化產品是否成功有效，不但能從市場反應與接受度評價，企業自身由研發、業務與市場銷售及生產制造部門可依下列指標自我評價：
模塊“成”、“效”驗證(Measures of Effectiveness)
• 花費(Cost)
– 直接與間接成本、材料、時間、勞動力及資本
• 復雜度(Complexity)
– 次系統總數
– 另件、主件及工序
• 共享(通)性(Commonality)
– 共享件、標準件、通用材料、界面及工序
• 可靠度與質量(Reliability & Quality)
– 性能、實用(robustness)與安全性
– 產品使用壽命
• 設計彈性與變化性(Flexibility & Variability)
– 設計變更與性能提升
– 功能極限
• 模塊化與簡易性(Modularity & Simplicity)
– 優異的接口架構
– 能否以最少的零件與接口變更設計形成差異化產品
市場廣為接受才是好產品，為企業帶來巨大效益才是好產品！“互換性”、“兼容性”、“通用性” 與“可持續性”是模塊化產品發展與市場接受及后續持續發展的關鍵環節。如經企業相關部門審慎評估檢驗，有效的模塊化設計與模塊化產品應具備的特性、優勢與效益如下：
1.簡單化(simplicity)：設計驗證及設計變更容易，產品制造、組裝與維修容易
2.標準化(standardization)：零件標準化，模塊化設計具備互換性(interchangeability)、通用性(commonality)與再利用性(reusability)，共享件(common parts)可供大量生產，有效降低成本
3.產品多樣化(variability)及可擴充性(scalable & extension)：再設計與性能提升(improvement & upgrading)容易，能有效持續發展擴充，可發展為產品平臺，形成完整的產品系列組合
4.設計與創新：以設計滿足客戶需求(customer satisfaction)，并為客戶創造價值(value creation)及實現大量客制化(mass customization)，可供不斷創新設計(innovative design)。
四、整體式與模塊化LED燈具現況分析(以路燈及隧道燈為例)
經多方搜集與產品分析，現今整體式與模塊化LED燈具產品未被業主大規模的采用的困難(非指推廣)、缺點與所關切的問題，歸納如下：
– 為實現照明，相關組件均置放腔室(燈體)內
1. 檢修困難，若有任一顆LED或電源出現故障需拆開更換
2. 配光設計受燈具造型(大面積、同一平面)限制
3. 光衰及壽命易被LED、電源驅動等混淆
– 有效的燈具散熱方案(降低系統熱阻)難以實現
– 燈具重量減輕難以實現
– 燈具產品與零件標準化困難(各廠家產品設計不同)
– 燈具造型變化少(大型整片式)，難以滿足客制化設計要求
– 產品質量不穩定(一致性差)
– 模具成本高(客制化設計成本高)
– 互換性差(可維護性差及檢修困難，路燈管理部門必須儲備相當數量的整燈，從而提高了運行成本與儲存困擾。)，整燈更換的資源浪費
– LED性能提升時產品更新困難，照明效果的一致性恐難維持
– 最終整體經濟及環保效益恐不如預期
現國內外廠家百花齊放，紛紛推出“各式各樣”的光引擎或模塊化設計之組合燈具產品，如圖-3。但是否能如通訊或其它消費性電子產品，具備上述“模塊化設計”產品的優點并達到目標？或者指鹿為馬產品混淆，另導致業主再次質疑或市場混亂持續？待市場予以驗證。
圖-3 LED光引擎組合成的路燈照明應用燈具[5]
由下表綜合分析，無論整體式或光引擎組合燈具產品，迄今無法具備互換性、兼容性、通用性與可持續性之特性，若產品供應廠家不能針對產品本身、企業、產業持續發展及后續維護與環保等多方考慮，則產生問題及影響層面會涵蓋業主(終端用戶)、維護單位、產業供應鏈、環境保護，其中真正首當其沖的是廠商自己。
表-1整體式與模塊化LED現況問題分析
當下LED路燈產品及市場情況，正考驗著國內燈具生產廠家！企業應自行檢討評估，當企業內部標準件不足、供應體系不健全，而國內眾多廠商產品及零主件各異，會造成部份標準件(或通用件)的供貨商量能不足或供應不穩定，質優而穩定的供貨商體系勢必難以形成，可能發生的影響如下：
l 照明產品性能、質量穩定性(一致性)差
l 供貨商質量、供貨穩定性(一致性)與產能波動
l 產品上市時間、產量與價格不穩
l 產能不足，影響市場規模難以成為大廠
果真如此，廠家獲利及市場擴展直接受到沖擊，相互受到波及的當然會是業主(終端用戶)及維護單位。
可以預見當光引擎燈具產品以互換性、兼容性、通用性與可持續性為其基本特性時，模塊化燈具將能一掃整體式照明燈具互換性差、維護困難、未來難以升級的負面影響，也能使生產廠商在零件供應建立標準化體系，備料庫存較過去更為穩定并具彈性，可以有效降低成本及風險，預料在市場驅動的主導下，模塊化的設計可以成為LED產品發展主要潮流。當各零件及次系統間的標準與作業程序建立，就能運用垂直整合或分工，龍頭廠商設計研發產品，建立相關標準，將生產制造外包并可進行供貨商管理。因此，將產品模塊化是滿足最終運用需求、將市場做大與形成穩固(stable)產業鏈的第一步，必能在LED照明的發展中占有重要的地位，隨之高性價比、性能穩定、低價化及普及化(并且外銷)的市場將隨后到來。
五、企業共同合作發展有效解決方案
經歷LED應用多年，成功的產品很多，如將時間軸往前看首推交通信號燈(紅綠燈)！而現在市場正熱賣的LED背光電視，正可以突顯LED技術發展日新月異的情勢。我們可以歸結此兩項產品成功的基本因素為：1.充分運用并發揮LED的特性與優點，2.有效的模塊化產品設計。而國內推動LED照明應用迄今，國家政策、標準與資金支持相繼出臺，加以企業千軍萬馬持續投入，后勢持續看好。擁有如此幸運與優渥條件，前述兩產品其成功的道理所在，應當值得LED照明廠家探究學習。
前節已針對產品、企業與產業強調：若能以光引擎或模塊化燈具破除最終用戶對LED燈具的疑慮，互換性、兼容性、通用性與可持續性會是關鍵性環節！
面向國內外龐大的LED照明應用市場；面對國際照明知名大廠既有優勢并一直積極布局；國內廠家有必要攜手合作、共同持續提升產品設計與開發能力(skill set)。借模塊化產品設計與產品平臺，快速形成成功的產品策略與企業擴大銷售的市場策略，達成下列目標，真正發揮跨專業、跨領域、跨企業間合作的綜合效益(synergy)：
l 產品互換性與兼容性
– 避免(防止)因為數眾多(廠商各自為政)及各式各樣無法匹配(互換、兼容)的光引擎導致市場分割、秩序混亂
– 終端用戶的使用、維護與長期最終利益的保障與關懷
l 改善產品質量與產品系列擴充
– 標準件與共享(通)零/主件
– 形成專業產能穩定的供應鏈
l 可持續性發展，推廣LED在通用照明的大規模運用
– 使用戶(消費者)可以安心選擇和購買市場上具有可互換性的LED 產品，同時亦能持續享受 LED 技術持續發展所提供產品功能升級之效益
– 將市場餅做大、做強
并架構成產能與質量優異而穩定的供應鏈如圖-4，以Time-to-market, Time-to-volume的產品競爭優勢，提升消費者信心，放大市場量能，進而降低制造成本，對國外市場掌握主控優勢，開創龐大商機。
圖-4 路燈產品供應鏈比較
六、結論語
縱觀國內外產品發展現況，互換性、兼容性、通用性與可持續性是LED照明產品與企業發展應關注的重點環節。
LED照明企業在面對專業技術分工與系統整合，全球化、區域環境不同與大量客制化的要求與挑戰下，企業獨立開發針對國內不同區域性產品需求的策略，在現今全球化競爭的環境下將很難維持現有優勢并長期發展。為了滿足全球龐大市場對LED照明產品的不同需求，照明企業必須從價值鏈(value chain)的源頭－產品設計著手，在兼顧照明產品區域化需求與開發時效的前提下，盡心關注終端用戶的使用、維護與長期的權益保障！借由信息科技的有效運用與集成(integration)，持續創造滿足新世代照明需求及具有競爭力的產品。
本文作者長期以來關注國內/外LED模塊化照明產品設計、產品發展及技術趨勢與市場反映和動態。除了將心得摘要成本文，并將持續遵循各種方式，詳細的檢視國內/歐美的LED模塊/光引擎、相關的燈具產品數據、學者專家發表報告、產業與政府政策。希望能由多方角度(產品設計/技術研發、企業、業主與用戶及產業)探討現況得失，將心得匯整分享，期望拋磚引玉，針對新世代照明燈具發展及有效整合運用現有科技成果集思廣益，為產品、企業與產業持續發展獻計獻策，共同迎接光明前程。
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