От измерений к стандартизированным многодоменным компактным моделям светодиодов (LED)

1. В соавторстве с: Женевьев Мартин *, Андрас Поппе, Сангье Лунгтен, Вели Хейккинен, Джоан Ю, Марта Ренц,...
2. Миссия DELPHI4LED
3. Решение технических проблем
4. Двигаясь к большей стандартизации
5. Кто стоит за проектом?
6. Ожидаемое влияние DELPHI4LED
7. Резюме
8. Подтверждения
9. Рекомендации

В соавторстве с: Женевьев Мартин *, Андрас Поппе, Сангье Лунгтен, Вели Хейккинен, Джоан Ю, Марта Ренц, Робин Борнофф
* Корреспондент Автор

Вступление

Развитие светодиодных технологий меняет экосистему индустрии освещения. Delphi4LED [1] - это консорциум Европейского Союза, который реагирует на эти изменения, предоставляя индустрии светодиодного освещения в ЕС набор инструментов и стандартов, позволяющих разрабатывать и производить более надежные, экономичные и лидирующие на рынке светодиодные осветительные решения. ,

В настоящее время светодиодные таблицы данных показывают единственную ценность: тепловое сопротивление, Rth. Этот показатель качества, как правило, указывается для одного плохо определенного рабочего условия и не обеспечивает адекватного учета взаимосвязи между требованиями к оптическим, тепловым и электрическим характеристикам. Эффективная конструкция светильника требует большей детализации, чем в настоящее время доступно в обычных таблицах светодиодов. Полное математическое описание светодиодов, которое включает тепловые, оптические и электрические характеристики, необходимо для определения полного рабочего пространства каждого светодиода, используемого на уровнях светильника. Это позволит дизайнерам учитывать влияние других светодиодов и электронных компонентов.

Миссия DELPHI4LED

Принятие светоизлучающих диодов (LED) смещает границы рынка освещения и цепочки поставок от тех, которые установлены традиционной индустрией освещения. То, что в сущности было олигополистической отраслью, в которой доминировали европейские компании, быстро становится более конкурентной средой, в которую входят мировые игроки из других отраслей, помимо светодиодов, таких как датчики и элементы управления и технологии интегральных схем.

Рынок традиционного освещения, который традиционно был в значительной степени обусловлен потребностями в замене, в значительной степени изменяется из-за растущего использования светодиодов. С увеличением срока службы светодиодов рынок замены испытывает естественный спад, поскольку потребители должны реже заменять свои источники света. Прогнозируется, что это приведет к тому, что общий рынок источников света после 2016 года сгладится [2]. Это, в свою очередь, ускорит сдвиг значений от источников света к осветительным приборам, а также к элементам управления системой освещения. Эта новая новая арена влияет на структуру каналов сбыта рыночной среды. Важность технических ноу-хау возрастает, особенно в профессиональных каналах дистрибуции, благодаря проникновению светодиодов и систем управления освещением.

Консорциум Delphi4LED обеспечивает целостный ответ на этот рыночный переход, объединяя конкурентную базу знаний в области освещения в Европе с новыми парадигмами и соответствующими решениями в процессе создания продукта. Основная цель - упростить начальный этап разработки путем стандартизации моделей Compact LED для проектирования и моделирования. Стандартизированные компактные модели светодиодов, которые еще не существуют, будут реализованы с моделями других электронных и механических компонентов, чтобы создать более унифицированную среду компьютерного проектирования и моделирования для интегрированных осветительных приборов.

Внедрение стандартных интерфейсов данных, методологий проектирования и инструментов позволит преодолеть разрывы проектирования между различными участниками и дисциплинами в экосистеме Solid State Lighting (SSL) путем:

• ускорение разработки и повышение точности прогнозов производительности продукта при минимизации необходимости создания физических прототипов,
• снижение цены получаемых решений,
• расширение возможностей для более творческого подхода к системам и решениям.

Решение технических проблем

Основная проблема при проектировании светодиодных компонентов в системах освещения заключается в определении правильных светодиодных входов. В настоящее время вход предоставляется в виде единого показателя качества: тепловое сопротивление, Rth. Этот показатель качества, как правило, указывается для одного плохо определенного рабочего условия и не обеспечивает адекватного учета взаимосвязи между требованиями к оптическим, тепловым и электрическим характеристикам. Это отсутствие информации связано с плохо определенной характеристикой светодиодов, которая усугубляется необходимостью для поставщиков светодиодов защищать свою интеллектуальную собственность.

Рисунок 1 иллюстрирует необходимость иметь полное математическое описание светодиодов, которое включает в себя тепловые, оптические и электрические характеристики для определения полного рабочего пространства каждого светодиода, используемого на уровнях светильника. Это позволит дизайнерам учитывать влияние других светодиодов и электронных компонентов.

Рисунок 1 - Многодоменная работа светодиодов и область применения Delphi4LED [3] Подход, предложенный Delphi4LED, заключается в моделировании многодоменной природы светодиодной микросхемы таким образом, чтобы ее можно было использовать на уровне модулей и системы [4]. Когда используется точная тепловая модель пакета светодиодов с граничными условиями, соответствующими фактической среде использования светодиодов, температуры можно точно прогнозировать на всех уровнях в цепочке поставок.

Двигаясь к большей стандартизации

Конструкция светодиодных систем будет значительно улучшена с использованием модульного, многодоменного подхода к моделированию. Такой модульный подход обеспечит гибкость проектирования для интеграторов светодиодных компонентов в любой конструкции светильника. Создание этой возможности требует полной интеграции светодиода в цепочку разработки продукта.

Стандартизация создает коммуникационный мост между полупроводниковой промышленностью (поставщик светодиодов) и осветительной промышленностью (интеграторы светодиодных компонентов) и повышает качество реализации дизайна освещения. Основная цель заключается в создании стандартизированного метода для создания многодоменных инструментов проектирования и моделирования на основе светодиодов для промышленности (рисунок 2) .

Рисунок 2 - Цель Delphi4LED

Для этого необходимо предоставить следующие инструменты:

• Универсальная многодоменная модель светодиодных чипов
• Компактная тепловая модель среды светодиодных чипов, включая упаковку и подложку
• Интерфейсы компактных моделей, связывающие их с дизайном системы светильников

Рисунок 3 - На пути к стандартизации светодиодной компактной модели

Целью проекта является разработка стандартизированного метода создания многодоменных компактных светодиодных моделей на основе тестовых данных (рисунок 3) .

Ключевые цели:

• Определите набор уравнений модели светодиодов, которые можно внедрить в инструмент FEM / CFD, с целью самосогласованного многодоменного моделирования тепловых, электрических и световых характеристик светодиода.
• Обеспечение интерфейсов между измерительными инструментами, инструментами моделирования и инструментами моделирования, позволяющими применять компактные модели светодиодов.
• Продемонстрировать преимущества использования компактных моделей в процессе разработки для сокращения времени и стоимости разработки, а также для подготовки к цифровой революции (например, Industry 4.0).

Кто стоит за проектом?

Delphi4LED выбрал междисциплинарный подход, чтобы способствовать принятию его рекомендаций рынком. В большинстве компаний, работающих с SSL, тепловые, оптические и электрические измерения обычно обрабатываются изолированно, поскольку различные группы тестирования и лаборатории не были адаптированы к меняющимся условиям в индустрии твердотельного освещения. Хотя комбинированный термический и радиометрический / фотометрический метод испытаний для светодиодов все же существует, он все еще в основном используется только традиционным способом командами тепловых испытаний светодиодов.

Из-за отсутствия соответствующих стандартизированных протоколов многодоменного тестирования эти методы не получили широкого распространения ни в сообществе освещения, ни среди поставщиков светодиодов. Основанные на измерениях характеристики дополняются компьютерным моделированием.

Методология, которая будет разработана Delphi4LED, будет дополнена проверкой конечного пользователя на уровне светильника. Принятая методология не потребует обмена проприетарной информацией от производителей светодиодов. В таблице 1 перечислены конкретные технические дисциплины, а также области общих знаний, которые необходимы для разработки успешных продуктов светодиодного освещения.

Консорциум Delphi4LED включает 15 партнеров из 7 стран и объединяет производителей светильников, ученых и поставщиков программного обеспечения. Эти три области предоставляют следующие возможности:

• Отраслевые партнеры, которые участвуют в прямой цепочке создания стоимости светодиодов, могут предоставить знания, связанные с ассортиментом светодиодов, в сочетании с приложениями для конечного использования.
• Академические партнеры могут предоставить глубокие знания по методологии компактных моделей, методам измерения и извлечению моделей для светодиодов и электронных компонентов в целом.
• Партнеры по программному обеспечению, которые разрабатывают необходимые инструменты анализа, предоставят знания по моделированию и интеграции многодоменных компактных моделей.

Целью консорциума является разработка методов, не зависящих от компонентов, чтобы стандартизированная модель не зависела от конкретных конструкций светодиодных компонентов. Поэтому в консорциум Delphi4LED не включены производители светодиодов, чтобы гарантировать, что методы стандартизации не требуют ввода от производителя светодиодов.

Рисунок 4 - Положение членов консорциума в цепочке создания стоимости

Ожидаемое влияние DELPHI4LED

Европейская светотехническая отрасль сталкивается с двумя ключевыми проблемами в результате внедрения светодиодов:

• Со стороны рынка необходимо сократить время разработки, улучшить качество текущей светодиодной продукции и сделать акцент на деятельности с добавленной стоимостью, чтобы получить конкурентное преимущество.
• С точки зрения разработки, у светодиодного освещения есть проблемы, которые отличаются от обычных приложений освещения. Для ускорения внедрения светодиодов необходимо определить новые процедуры определения характеристик, а также новые методы стандартизации. Это потребует продвижения к отраслевым стандартам в индустрии освещения.

Этот проект направлен на сокращение времени выхода на рынок светодиодной продукции на треть, сокращение затрат на разработку на 50% и сокращение косвенных затрат, связанных с доходностью, на 25%. Цель состоит в том, чтобы предоставить европейской индустрии освещения уникальное конкурентное преимущество, чтобы не отставать от нынешних 30-40% темпов роста рынка светодиодов и выходить на потенциальные новые рынки.

Резюме

Проект Delphi4LED, который официально стартовал в июне 2016 года, призван дать ответ на быстрый переход к рынку. Этот проект объединит конкурентоспособную базу знаний в области освещения в Европе с новыми парадигмами и соответствующими решениями в процессе проектирования изделий путем разработки стандартизированных компактных светодиодных моделей для проектирования и моделирования.

Объединение этих моделей с моделями других электронных и механических компонентов объединит среду компьютерного проектирования для интегрированных осветительных приборов. Устранение разрывов в дизайне между различными участниками цепочки ускорит разработку, повысит точность прогнозов для конечных продуктов, снизит цену светодиодных решений и повысит гибкость проектирования, предоставляя большую свободу творчества в системах и продуктах конечных пользователей.

Подтверждения

Вклад Европейского Союза признан в поддержку исследования в контексте совместной программы ECSEL (2016-2019). Дополнительная информация доступна на: www.delphi4led.eu

Авторы хотели бы поблагодарить всех членов консорциума: команды Teknologian Tutkimuskeskus VTT Oy, Финляндия; Технический университет Эйндховен, Нидерланды, Flexbright Oy, Финляндия; Светодизайн Collective Oy, Финляндия; Magillem Design Services SAS, Франция; Pi Lighting SARL, Швейцария; PISEO, Франция; Philips Lighting, Франция; Philips Lighting, Нидерланды; Ecce'Lectro, Франция; Фейло Сильвания Лайтнинг Бельгия НВ; Mentor Graphics, Великобритания; Philips Lighting, Нидерланды, Технический университет Эйндховена, Нидерланды Ingelux, Франция; Кафедра электронных устройств - Будапештский технологический и экономический университет, Венгрия; Ментор Графика, Венгрия

Рекомендации

[1] DELPHI4LED, www.delphi4led.org , последний раз доступный 29 ноября 2016.

[2] McKinsey & Company, «Освещение пути: перспективы на мировом рынке освещения», второе издание, август 2012 г., https://www.mckinsey.de/files/Lighting_the_way_Perspectives_on_global_lighting_market_2012.pdf, доступ к которому был завершен 29 ноября 2016 г.

[3] Г.Фаркас, Кв.В.Вейдер, А.Поппе, Г.Богнар, Тепловые исследования мощных оптических устройств с помощью переходных испытаний, транзакции IEEE по компонентам и упаковочным технологиям, с. 45-50, том 28, выпуск 1, (2005)

[4] Г.Мартин, Р.Борнофф, В.Хильденбранд, С.Лунгтен, С.Марти, А.Поппе, М.Ренц, У.Шилдерс, Дж.Х.Ю., Delphi4LED - От измерений к стандартизированным многодоменным компактным моделям LED: новый европейский научно-исследовательский проект для прогнозного и эффективного многодоменного моделирования и моделирования светодиодов на всех уровнях интеграции в цепочке поставок SSL, Therminic, (2016)

[5] Э. Ф. Шуберт, Светодиоды, 2-е изд., Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк, США, (2006)

Похожие

Комментарии