LED光引擎和照明产品模块化设计
2011-10-09 11:45:52 作者：SZ_LED_IA 来源： 浏览次数：0
LED光引擎和照明产品模块化设计
林洺峰 胡继忠
摘要
模块或称模组在汽车、航天及电子和通讯信息产业已被广泛运用，现今模块化产品比比皆是。不单有严谨之定义，且已由欧美企业与高校发展成方法论，产品及产业都已具备完整的标准体系，并依据此严格要求代工生产厂家，将产品可靠度与质量提升极致。当LED照明产品持续的扩大应用范围并逐步迈向产品成熟期的同时，更多的层面与承先启后的环节需要预先考虑，尤其是影响企业与产业发展至巨的产品互换性、兼容性、通用性与可持续性。
笔者长期关注LED照明产品与企业发展，有感于现今LED照明产业一窝蜂的现况，导致市场秩序混乱及业主质疑不断。乃多方搜集汇整产品材料、报告与文献，并与地方政府、业主及安装维护单位持续交流。在此，根据多年积累的工作经验，将模块化产品相关基本设计概念、定义、目的、效益、方法与成功经验分享于众，从终端用户、企业自身、照明产业链发展角度探讨问题，抛砖引玉思考未来，期以集思广益寻找解决方法和出路。本文内容分三部分，主要先回归基本定义，希望借IT产业的成功经验，说明模块化设计和产品架构的方法，并强调LED光引擎或模块化设计有效性验证与不断设计创新突破的重要性。
关键词：模块、光引擎、模块化设计、整体式设计、互换性、兼容性、通用性、可持续性
Key words: Module, Light engine, Modular design, Integral design， Interchangeability, Compatibility, Commonality, Sustainability
一、引言
综观近年来LED照明市场情况，国内相关产业规模及产业链已初步形成，但大多着力于LED本身、材料、制程与整体式照明灯具产品的开发以及试点与示范项目的照明应用。当LED照明产品持续的扩大应用范围并逐步迈向产品成熟期的同时，更多的层面与承先启后的环节需要预先考虑，尤其是影响企业与产业发展至巨的产品互换性与兼容性。
目前关心的焦点主要为：性价比、高光效、大功率散热、光衰、光学设计与配光、电源与控制、标准建立等，虽然仍有瓶颈，但技术改善与突破指日可期。当此类探讨方兴未艾，当LED长寿命与节电不断的被强调，我们的厂商是否应当拉长时间轴面向企业的长期发展思考？是否也应认真的面对终端用户的使用、维护与长期最终利益的保障？
环境保护不应当只着重节能减排！我们产业应当认真的思考：当长寿命的LED产品最后寿终正寝，此期间若有衍生的故障品、报废品与滞销品，其中多少成品与材料，会成为“科技垃圾”(garbage generated from the technological products)而难以处理！相对于前述的热门议题，这些实在显得欠缺关怀，未来可能受害者的呼声似乎也显得薄弱，且未受到重视。
现今，国内外厂家百花齐放、纷纷推出“形形色色”的LED照明产品，大多不能互换，性能也各不兼容。以道路照明为例，传统光源与灯具早已实现标准化，光源和电器规格均已形成标准产品系列，且各家产品多可互换，为使用者日常更换和维护提供了便利。反观LED灯具，产品纷乱、欠缺完整系列、供货厂商间的产品不能互换，导致应用与后续维修工作受限。另由于LED技术更新换代快速，备品与新产品的性能能否保证兼容性，有待观察或者需要厂家承诺提供相应配套服务。
LED照明产品样式繁多，照明灯具厂商各凭本事各自发展占领市场，由市场角度可以预见：市场会被分化成小区块(segment)。相关部件的供货商面向如此多样化的规格要求，易造成质量与产能的不稳定，供货速度与价格难以有效搭配，对照明灯具厂商供货势必产生负面影响。久而久之，企业内部及供货商的标准品(含部件)无法固定，共享件(common parts)自然不足，质量稳定、产能提升、价格与供货速度同样受限，无法满足市场竞争与发展需求。
因此，“互换性”、“兼容性” 与“通用性” 是照明灯具产品发展与市场接受的关键环节，如果无法被LED照明产品厂家及业主(终端用户与维护者)共同关注且有效衔接实现，则广范围、大规模的项目应用、供应链产能的稳步提升及企业自身与国内产业做大做强，都会直接受到严重的冲击。
近期，多位专家、学者及厂家提出模块化灯具会是LED路灯产品的重要发展趋势，光引擎组成的路灯如雨后春笋。笔者长期关注LED照明产品与企业发展，有感于现今LED照明产业一窝蜂的现况，导致市场秩序混乱及业主质疑不断。乃多方搜集汇整产品材料、报告与文献，并与地方政府、业主及安装维护单位持续交流。在此，根据多年积累的工作经验，将模块化产品相关基本设计概念、定义、目的、效益、方法与成功经验分享于众，从终端用户(end user)、企业自身、照明产业链发展角度探讨问题，抛砖引玉思考未来，期以集思广益寻找解决方法和出路。本文内容分三部份，主要先回归基本定义(back to basics)，希望借IT产业的成功经验，说明模块化设计和产品架构的方法，并强调LED光引擎或模块化设计有效性验证与不断设计创新突破的重要性。
二、LED灯具与光引擎基本定义
目前，制造照明LED的产业群体对照明电器基本知识和要求的了解仍显不足，而传统的照明灯具生产群体也往往缺乏对照明用LED特性的广泛而深入了解，在设计和应用中没有充分地利用LED的特点，进行扬长避短的发挥与有效运用，所以在照明LED应用到照明装置中时，造成了很多不合理的甚至是错误的设计。为此，有必要由基本定义起两相衔接，本文摘录参考文件[3][4]作为论述之基础。
灯具、灯及LED模块的定义：
– 灯(lamp)：为产生光辐射(通常为可见的)而制作的光源。(注：此术语有时也用于某些类型的照明器)
– LED阵列(array)或模块(module)：在印刷线路板或基板上的LED封装（组件）或芯片的组件，可能带有光学组件、附加的热、机械和打算连接到LED驱动器负载侧的电气接口。该装置不含电源和标准灯头。该装置不能直接与分支电路连接，如图-1。
l LED模块的型式包括：自镇流LED模块(self-ballasted LED module)、整体式LED模块(integral LED module)、整体式自镇流LED模块(integral self-ballasted LED module)、内装式LED模块(built-in LED module)、内装式自镇流LED模块(built-in self-ballasted LED module)、独立式LED模块(independent LED module)和独立式自镇流LED模块 (independent self-ballasted LED module)等，上述各种LED模块均属于光源。
图-1 LED阵列与模块[Adapted from TTelectronics/OPTEK Technology]
– 灯具(luminaire)：凡是能分配、透出或转变一个或多个光源发出光线的一种器具，并包括支承、固定和保护光源必需的所有部件(但不包括光源本身)，以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的装置。(注：采用整体式不可替换光源的发光器被视作一个灯具，但不对整体式光源和整体式自镇流灯进行试验。)
LED光引擎(light engine)的定义：
包含LED封装(组件)或LED阵列(模块)、LED驱动器、以及其它光度、热学、机械和电气组件的整体组合。该装置要通过一个与LED灯具匹配的常规连接器直接连接到分支电路，该LED灯具设计成不使用标准灯座。
(a) 2008年产品 (b) 2009年产品 (c) 2010年产品
图-2 LED光引擎产品[5]
但从国内产品推出情况观察，尤其在道路与隧道照明方面，除行之有年的整体式灯具，市场上自2008年起已有许多以LED光引擎组合成的灯具推出，如图-2 [5]，但未有LED光引擎专业供货商。总体而言，LED光引擎组合成的路灯或隧道灯灯具，仍如同原先大多数整体式灯具，跳脱不了“旧瓶装新酒”的做法，未能有效针对LED新光源特性扬长避短，也未能有效发挥LED光引擎及模块化设计(modular design)的特性与优点。
如此，势必造成市场充斥多样化的产品，当厂家独善其身，各行其事，纵使应验学者专家与市场的预期，但就业主及维护单位所关切与质疑的基本问题：“互换性”与“兼容性”，并不见实质性得到解决。如此，多元化与多样化发展的结果，虽可以努力将市场扩大，但可能导致市场区块小化，或者，也可能反将市场做小。
产品发展与推广有其过程，但再次另人忧心不已的是：为数众多的LED照明厂家是否能从产品本身、企业自身、最终用户及产业供应链的角度，分辨清楚整体式LED路灯灯具缺点为何？LED光引擎组合成的路灯灯具与之差异为何？最终广为市场接受的产品到底为何？
综观国内外产业与产品发展，以模块化设计的产品在许多市场已形成主流，其中首推个人计算机(PC)的成功与普及，几乎所有PC产品都奠基于相关零组件的标准化(standardization)与模块化(modularization)。同时，模块化产品设计也成功运用在：打印机、笔记本计算机、相机、手机、电动手工具、工具机、汽車、飞机等产业，并成功的发展出系列产品。不单产品功能持续提升而且市场快速扩大，与此同时带给广大消费者的是：功能需求的满足和生活中的种种便利。
简要言之，互换性、兼容性、通用性、可持续性是模块化设计产品对市场、企业及产业形成巨大效益的基本目标与精神！另外，全球化机种共享产品平台(product platform)的概念，也被上述等产业广泛运用。足見模块化、标准化、产品平台的技术运用，不但是达成快速开发、提升质量、客制化设计以及降低成本关键要因，也已成为产业进行全球化同步工程(concurrent engineering)与协同设计(collaborative design)时重要的实践手段。
鉴于LED照明产品、技术与企业发展需高度有效整合各专业领域与经验，故有必要由模块化基本定义到产品设计成功实例，从产品设计理念与模块化特性到效益验证，从企业到产业价值链(value chain)学习并借鉴经验，然后可依LED特性及照明产品需要加以发扬光大。
三、模块化设计与产品效益(以IT产业为例)
模块或称模组(module)在汽车、航天及电子和通讯信息产业已被广泛运用，现今模块化产品举目比比皆是(附录 I.)。不单有严谨之定义，且已由欧美企业与高校发展成方法论(methodology)，产品及产业都已具备完整的标准体系，并依据此严格要求代工生产厂家，将产品可靠度与质量提升极致(maximized)。模块化设计，除需具有明确定义(product definition)与产品架构(product architecture)外，并具备可发展为产品平台，依此平台有效持续发展，扩充产品组合(product portfolio)或产品系列(product family)之效益，亦即：标准化、互换性、可扩充性和可发展性是模块化设计的基本设计精神、目标与产品发展策略。
模块化与模块化产品定义：
模块：
– 是指由多个组件(components)组成的次系统(sub-system)，是具备特定功能的单元，一般称之为功能模块或简称模块
– 对整系统而言，模块的功能可以被明确区分，各模块相互独立但具特定之接口 (interface或称为接口)，并且共同运作完成系统功能
组件：
– 指系统结构中最底层,基本上无法再予以拆分的单元
– 标准组件(standard component), 指在市场上流通的组件, 且是公司其它项目中已承认或量产使用的组件
整体式设计与模块化设计差异[6]：
对产品而言，一个组件代表执行一项功能，而透过这些组件互相关联所集成的功能便形成产品。这些组件的规格定义了组件间的互动关系，并說明输入及输出的连接方式。另加上一组完整的接口规格，便形成了产品结构。产品结构依照各功能与实体组件对应方式的不同，可分为整体式(integral)结构与模块化(modular)结构。Ulrich(1995), Fujimoto(2005)等学者曾针对此两类产品结构加以比较说明如下：
1. 整体式设计(integral design)
整体式设计以“最佳化”产品为主要目标，其产品功能关系比较复杂，基本上是以非一对一的方式对应到实体组件上，且组件有接口彼此匹配。组件及组件间接口的设计是在不断重复的最佳化过程中确立，产品结构亦于最佳化产品设计完成后才定义。由于组件间以接口彼此匹配，因此任何功能上的改变将需同时变动数个组件，同时，由于组件的设计流程不具弹性，故难以达到产品多样化。
2. 模块化设计(modular design)
模块化设计的产品结构之功能以一对一的方式对应至实体组件上，组件间接口彼此匹配。并且组件在完整(特定、标准化的)的接口结构下设计，故允许工程师同时、自主且分散不同地点的方式进行设计。而且，模块结构能让特定组件以接口标准化的方式搭载于不同产品中。当周围的组件变更时，各别组件不需跟着改变。
因此，模块化设计其设计策略(design strategy)是在产品设计开发过程中，将功能运作相关的组件依据产品架构合并为单一模块，经由分析组成模块间的相关性与工作程序，设计组合所需接口并决定最佳的模块配置方式：
– 模块是标准的、独立运作的、并且是可置换的单元。目标是减少产品结构的复杂度，使产品开发过程中的不确定性与复杂度降至最低，并使制造或组装资源更有效率的被运用。
– 可应用在不同的产品，共享相同的模块，可以缩短产品开发时程(cycle time)，降低研发与产品开发成本。
– 另外，针对不同客户，为达成客制化设计(customized design)目的，使用不同模块组成产品(系统)，可创造产品变异性(variation)与差异化(differentiation)。
但模块化设计与模块化产品是否成功有效，不但能从市场反应与接受度评价，企业自身由研发、业务与市场销售及生产制造部门可依下列指标自我评价：
模块“成”、“效”验证(Measures of Effectiveness)
• 花费(Cost)
– 直接与间接成本、材料、时间、劳动力及资本
• 复杂度(Complexity)
– 次系统总数
– 另件、主件及工序
• 共享(通)性(Commonality)
– 共享件、标准件、通用材料、界面及工序
• 可靠度与质量(Reliability & Quality)
– 性能、实用(robustness)与安全性
– 产品使用寿命
• 设计弹性与变化性(Flexibility & Variability)
– 设计变更与性能提升
– 功能极限
• 模块化与简易性(Modularity & Simplicity)
– 优异的接口架构
– 能否以最少的零件与接口变更设计形成差异化产品
市场广为接受才是好产品，为企业带来巨大效益才是好产品！“互换性”、“兼容性”、“通用性” 与“可持续性”是模块化产品发展与市场接受及后续持续发展的关键环节。如经企业相关部门审慎评估检验，有效的模块化设计与模块化产品应具备的特性、优势与效益如下：
1.简单化(simplicity)：设计验证及设计变更容易，产品制造、组装与维修容易
2.标准化(standardization)：零件标准化，模块化设计具备互换性(interchangeability)、通用性(commonality)与再利用性(reusability)，共享件(common parts)可供大量生产，有效降低成本
3.产品多样化(variability)及可扩充性(scalable & extension)：再设计与性能提升(improvement & upgrading)容易，能有效持续发展扩充，可发展为产品平台，形成完整的产品系列组合
4.设计与创新：以设计满足客户需求(customer satisfaction)，并为客户创造价值(value creation)及实现大量客制化(mass customization)，可供不断创新设计(innovative design)。
四、整体式与模块化LED灯具现况分析(以路灯及隧道灯为例)
经多方搜集与产品分析，现今整体式与模块化LED灯具产品未被业主大规模的采用的困难(非指推广)、缺点与所关切的问题，归纳如下：
– 为实现照明，相关组件均置放腔室(灯体)内
1. 检修困难，若有任一颗LED或电源出现故障需拆开更换
2. 配光设计受灯具造型(大面积、同一平面)限制
3. 光衰及寿命易被LED、电源驱动等混淆
– 有效的灯具散热方案(降低系统热阻)难以实现
– 灯具重量减轻难以实现
– 灯具产品与零件标准化困难(各厂家产品设计不同)
– 灯具造型变化少(大型整片式)，难以满足客制化设计要求
– 产品质量不稳定(一致性差)
– 模具成本高(客制化设计成本高)
– 互换性差(可维护性差及检修困难，路灯管理部门必须储备相当数量的整灯，从而提高了运行成本与储存困扰。)，整灯更换的资源浪费
– LED性能提升时产品更新困难，照明效果的一致性恐难维持
– 最终整体经济及环保效益恐不如预期
现国内外厂家百花齐放，纷纷推出“各式各样”的光引擎或模块化设计之组合灯具产品，如图-3。但是否能如通讯或其它消费性电子产品，具备上述“模块化设计”产品的优点并达到目标？或者指鹿为马产品混淆，另导致业主再次质疑或市场混乱持续？待市场予以验证。
图-3 LED光引擎组合成的路灯照明应用灯具[5]
由下表综合分析，无论整体式或光引擎组合灯具产品，迄今无法具备互换性、兼容性、通用性与可持续性之特性，若产品供应厂家不能针对产品本身、企业、产业持续发展及后续维护与环保等多方考虑，则产生问题及影响层面会涵盖业主(终端用户)、维护单位、产业供应链、环境保护，其中真正首当其冲的是厂商自己。
表-1整体式与模块化LED现况问题分析
当下LED路灯产品及市场情况，正考验着国内灯具生产厂家！企业应自行检讨评估，当企业内部标准件不足、供应体系不健全，而国内众多厂商产品及零主件各异，会造成部份标准件(或通用件)的供货商量能不足或供应不稳定，质优而稳定的供货商体系势必难以形成，可能发生的影响如下：
l 照明产品性能、质量稳定性(一致性)差
l 供货商质量、供货稳定性(一致性)与产能波动
l 产品上市时间、产量与价格不稳
l 产能不足，影响市场规模难以成为大厂
果真如此，厂家获利及市场扩展直接受到冲击，相互受到波及的当然会是业主(终端用户)及维护单位。
可以预见当光引擎灯具产品以互换性、兼容性、通用性与可持续性为其基本特性时，模块化灯具将能一扫整体式照明灯具互换性差、维护困难、未来难以升级的负面影响，也能使生产厂商在零件供应建立标准化体系，备料库存较过去更为稳定并具弹性，可以有效降低成本及风险，预料在市场驱动的主导下，模块化的设计可以成为LED产品发展主要潮流。当各零件及次系统间的标准与作业程序建立，就能运用垂直整合或分工，龙头厂商设计研发产品，建立相关标准，将生产制造外包并可进行供货商管理。因此，将产品模块化是满足最终运用需求、将市场做大与形成稳固(stable)产业链的第一步，必能在LED照明的发展中占有重要的地位，随之高性价比、性能稳定、低价化及普及化(并且外销)的市场将随后到来。
五、企业共同合作发展有效解决方案
经历LED应用多年，成功的产品很多，如将时间轴往前看首推交通信号灯(红绿灯)！而现在市场正热卖的LED背光电视，正可以突显LED技术发展日新月异的情势。我们可以归结此两项产品成功的基本因素为：1.充分运用并发挥LED的特性与优点，2.有效的模块化产品设计。而国内推动LED照明应用迄今，国家政策、标准与资金支持相继出台，加以企业千军万马持续投入，后势持续看好。拥有如此幸运与优渥条件，前述两产品其成功的道理所在，应当值得LED照明厂家探究学习。
前节已针对产品、企业与产业强调：若能以光引擎或模块化灯具破除最终用户对LED灯具的疑虑，互换性、兼容性、通用性与可持续性会是关键性环节！
面向国内外庞大的LED照明应用市场；面对国际照明知名大厂既有优势并一直积极布局；国内厂家有必要携手合作、共同持续提升产品设计与开发能力(skill set)。借模块化产品设计与产品平台，快速形成成功的产品策略与企业扩大销售的市场策略，达成下列目标，真正发挥跨专业、跨领域、跨企业间合作的综合效益(synergy)：
l 产品互换性与兼容性
– 避免(防止)因为数众多(厂商各自为政)及各式各样无法匹配(互换、兼容)的光引擎导致市场分割、秩序混乱
– 终端用户的使用、维护与长期最终利益的保障与关怀
l 改善产品质量与产品系列扩充
– 标准件与共享(通)零/主件
– 形成专业产能稳定的供应链
l 可持续性发展，推广LED在通用照明的大规模运用
– 使用户(消费者)可以安心选择和购买市场上具有可互换性的LED 产品，同时亦能持续享受 LED 技术持续发展所提供产品功能升级之效益
– 将市场饼做大、做强
并架构成产能与质量优异而稳定的供应链如图-4，以Time-to-market, Time-to-volume的产品竞争优势，提升消费者信心，放大市场量能，进而降低制造成本，对国外市场掌握主控优势，开创庞大商机。
图-4 路灯产品供应链比较
六、结论语
纵观国内外产品发展现况，互换性、兼容性、通用性与可持续性是LED照明产品与企业发展应关注的重点环节。
LED照明企业在面对专业技术分工与系统整合，全球化、区域环境不同与大量客制化的要求与挑战下，企业独立开发针对国内不同区域性产品需求的策略，在现今全球化竞争的环境下将很难维持现有优势并长期发展。为了满足全球庞大市场对LED照明产品的不同需求，照明企业必须从价值链(value chain)的源头－产品设计着手，在兼顾照明产品区域化需求与开发时效的前提下，尽心关注终端用户的使用、维护与长期的权益保障！借由信息科技的有效运用与集成(integration)，持续创造满足新世代照明需求及具有竞争力的产品。
本文作者长期以来关注国内/外LED模块化照明产品设计、产品发展及技术趋势与市场反映和动态。除了将心得摘要成本文，并将持续遵循各种方式，详细的检视国内/欧美的LED模块/光引擎、相关的灯具产品数据、学者专家发表报告、产业与政府政策。希望能由多方角度(产品设计/技术研发、企业、业主与用户及产业)探讨现况得失，将心得汇整分享，期望抛砖引玉，针对新世代照明灯具发展及有效整合运用现有科技成果集思广益，为产品、企业与产业持续发展献计献策，共同迎接光明前程。
参考文献：
1. 谢俊彦，LED 道路灯具可维护性探讨，上海市路灯管理所市区所
2. 俞安琪，采用LED光源的道路灯具应关注的焦点，国家电光源质量监督检验中心(上海)，国家灯具质量监督检验中心
3. 施晓红，灯具和灯的异同，上海时代之光照明电器检测有限公司
4. 施晓红、陈超中、李为军、王晔， 聚焦 LED 灯具和LED 光源的基本概念，上海时代之光照明电器检测有限公司，
5. 俞安琪、胡继忠、周巧凤、卢信强， LED 灯具与模组化LED照明产品，教育训练课程教材，2010
6. 胡继忠、周巧凤， 模块化与模块化产品设计，教育训练课程教材，2010
7. Häkon Skramstad, Obtaining Distinctive Product Variants, Department of Product Design Engineering, Norwegian University of Science and Technology
8. Øystein Eggen, Exemplification of the modular concept generation process, 2003
9. Jussi Heikkilä, Toni-Matti Karjalainen, Asko Martio & Petri Niininen, Product and Modularity: Managing competitive product portfolios through holistic platform thinking, Helsinki University of Technology, 2002
10. Karl T. Ulrich & Steven D. Eppinger, Product design and development, 3rd ed.
11. 周巧凤、胡继忠， LED模块化灯具创新设计，教育训练课程教材，2010
12. 周巧凤、胡继忠、卢信强，隧道LED照明应用现状_问题分析与解决方法，教育训练课程教材，2009
