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。
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