大功率LED驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)技術(shù)

Sony在2004年所發(fā)表的40寸及46寸LCD用LED背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達(dá)450W以上，不過(guò)隨著技術(shù)的提升，Sony在2007年所銷售的70寸LED背光液晶電視的耗功率已經(jīng)大幅下降到200W，所采用的3原色LED數(shù)量還是450顆，這樣的數(shù)字是相當(dāng)驚人的，因?yàn)槔?年左右的時(shí)間，就可以將耗電量減少一半，并且可支持的面板尺寸也將近增大1倍。

圖說(shuō)：背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達(dá)450W以上。

在追求廣色域的目標(biāo)之下，全球液晶電視廠商紛紛導(dǎo)入LED背光結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這并不是一件簡(jiǎn)單的事情，除了成本的考量之外，耗電量是一個(gè)液晶電視邁向降低耗電量時(shí)代。

姑且不管Sony是如何達(dá)到這樣的技術(shù)目標(biāo)，事實(shí)上，降低電視背光耗功率的技術(shù)研發(fā)一直在全球業(yè)者之間不斷的進(jìn)行著，而在2006年初，根據(jù)日本媒體的報(bào)導(dǎo)，當(dāng)時(shí)32寸液晶電視總耗電量為180W左右，預(yù)計(jì)到2006年下半，當(dāng)時(shí)被稱為主流尺寸的32寸液晶電視，總耗電量有可能降低到100W以下。

但是如果轉(zhuǎn)換成目前主流的40寸液晶電視，詳細(xì)的作法觀念是，基于液晶電視每年都以15%左右的比例降低耗電，所以到2006年底以前，總耗電量將會(huì)降低到230W左右(270W X 15%)，如果再加上能夠提升背光模塊技術(shù)的話，就有機(jī)會(huì)將背光模塊的耗電量降低40%，如此一來(lái)總耗電量就將近159W，依照這樣的進(jìn)步速度，2010年時(shí)，總耗電量就可以達(dá)到100W。當(dāng)然，在這樣目標(biāo)之下所指的背光還是冷陰極管。

液晶LED背光已被市場(chǎng)所期待

但是無(wú)論如何，LED背光模塊已經(jīng)是被市場(chǎng)所期待的技術(shù)之一，也就是說(shuō)，所面對(duì)的高耗電課題，已經(jīng)是不得不去解決的了，因?yàn)閷?duì)于大尺寸的液晶電視來(lái)說(shuō)，有將近60%的電力是消耗在背光模塊上，不過(guò)要降低總耗電量并不是只有LED背光這個(gè)單一的方面，另外還包括改變驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)、強(qiáng)化導(dǎo)光效率、降低熱效應(yīng)現(xiàn)象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術(shù)。

目前根據(jù)應(yīng)用的不同，LED的點(diǎn)燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光，而包括監(jiān)視器以及小尺寸應(yīng)用的產(chǎn)品，都是以側(cè)光式為主，這是由于雙方對(duì)于輝度與演色性需求差異下的區(qū)隔。一般來(lái)說(shuō)，監(jiān)視器多是使用側(cè)光式的RGB3原色的點(diǎn)燈方式，如果是更小尺寸的應(yīng)用，例如是車載導(dǎo)航用面板、手機(jī)面板、PDA用面板等等，就多是使用白光LED的側(cè)光方式，不過(guò)側(cè)光白光LED的背光方式，已經(jīng)逐漸朝向大尺寸化發(fā)展，目前包括有部分的筆記型計(jì)算機(jī)也開(kāi)始采用側(cè)光白光LED的背光模塊，因此在外型的設(shè)計(jì)上，更能達(dá)到薄型化、高彈性的目標(biāo)，雖然白光LED在紅色表現(xiàn)部分，有演色性不足的問(wèn)題，但是因?yàn)楣P記型計(jì)算機(jī)大多是用來(lái)進(jìn)行文書(shū)等等靜態(tài)畫(huà)面顯示，期望達(dá)到與液晶電視相通同質(zhì)量的用戶畢竟不多，所以，基本上演色性不足并不是太大的問(wèn)題，不過(guò)當(dāng)然還有可以克服的方式，例如在白光LED的陣列中加入紅光LED等等，這些方式也一一的被背光模塊業(yè)者所克服。

圖說(shuō)：目前根據(jù)應(yīng)用的不同，LED的點(diǎn)燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光。(三星電子)

引頸期待高效率高輝度的LED

但是如果期望實(shí)際的普及3原色LED背光，相信還有很多的問(wèn)題需要解決，甚至于要耗費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。其實(shí)說(shuō)穿了根本關(guān)鍵還是在成本，因?yàn)閷?duì)于液晶電視而言，所需要的是高輝度，所以必須采用1W以上高效率、高輝度的LED，在加上因?yàn)槭侵毕率饺牍?，所?原色LED使用的顆數(shù)，有可能會(huì)因?yàn)槊姘宄叽绲脑黾佣黾覮ED使用顆數(shù)，但是如此的作法又會(huì)帶來(lái)另外的問(wèn)題，那就是熱效應(yīng)會(huì)因?yàn)?原色LED使用數(shù)增加而爆增，如此一來(lái)那就必須采用更多的散熱鰭片、風(fēng)扇、散熱管等等來(lái)維持模塊內(nèi)的溫度，此外，使用數(shù)量龐大的LED，而為了使色調(diào)統(tǒng)一，除了要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮Y選發(fā)光波長(zhǎng)相同的LED之外，還必須采用Color Sensor來(lái)調(diào)整RGB色差，但所造成的影響便是成本的增高，因而無(wú)法有效的讓售價(jià)符合消費(fèi)者的期望值。不過(guò)這并非絕對(duì)的，另也可以使用其它的技術(shù)來(lái)達(dá)到面板尺寸增加，而不必使用太多的3原色LED數(shù)量。

不過(guò)，期望降低LED背光模塊的耗電量并非是背光模塊與液晶電視系統(tǒng)業(yè)者所需要努力的，其實(shí)對(duì)于LED芯片業(yè)者來(lái)說(shuō)，也扮演著相當(dāng)重要的角色，因?yàn)槿绻酒瑯I(yè)者的努力能夠強(qiáng)化LED發(fā)光效率的話，那么LED對(duì)于電力的需求也就因此而大幅度的降低，而所得到的效益也就會(huì)直接反映在LED背光模塊上。

圖說(shuō)：要降低總耗電量并不是只有LED背光單一方面，包括改變驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)、強(qiáng)化導(dǎo)光效率、降低熱效應(yīng)現(xiàn)象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術(shù)。

熱效應(yīng)問(wèn)題是老生常談卻不易解決

最近這幾年來(lái)，LED芯片業(yè)者相當(dāng)積極的開(kāi)發(fā)高亮度LED芯片，最實(shí)際的做法就是如何讓LED能夠支持更大的電流，來(lái)讓LED產(chǎn)生更大的輝度，以目前的規(guī)格來(lái)說(shuō)，一顆面積30um2 的LED所能承受的最大電流為30mA左右，這樣的結(jié)果還是無(wú)法符合在應(yīng)用上「讓LED產(chǎn)生更大的輝度」的需求，因?yàn)槭袌?chǎng)所期望的是能夠在面積為1mm2 的LED芯片中導(dǎo)入350mA的電流，讓單芯片產(chǎn)生更高的內(nèi)部量子效率，如果驅(qū)動(dòng)電壓是3V的話，那么換算之后，被流入LED的電力就有將近1W左右。

但是，并不是一味地提高電流量就可以了，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，所流入的電力有4分之3左右，都會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，也就是說(shuō)，只有4分之1(0.25W)會(huì)轉(zhuǎn)換成光，而0.75W左右的電力，都會(huì)便成熱效應(yīng)。而熱效應(yīng)所帶來(lái)的困擾，眾所周知，LED會(huì)因?yàn)闇囟榷淖児獠ㄩL(zhǎng)，并且降低發(fā)光效率，造成畫(huà)質(zhì)的演色偏差。

對(duì)于LCD背光用的白光LED開(kāi)發(fā)課題來(lái)說(shuō)，不僅僅是提高LED的發(fā)光亮度，還必須包括輝度均一性、高色彩演色性、提高使用長(zhǎng)壽等等的挑戰(zhàn)，因此在完成高電流的LED芯片之后，如何封裝在熱傳導(dǎo)率大、熱容量大的材料上，就成了業(yè)者相當(dāng)重要的課題。

藉由封裝提升光輸出功率

目前照明推進(jìn)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，100 lm/W的白光LED將會(huì)達(dá)到每流明1日?qǐng)A的實(shí)用化階段。達(dá)到LED的平均演色評(píng)價(jià)數(shù)提高，螢光粉的開(kāi)發(fā)就扮演了相當(dāng)重要關(guān)鍵，因?yàn)槔梦灩夥鄞钆渌{(lán)光LED所得到的模擬白光LED，在波長(zhǎng)上對(duì)于紅色和綠色的顯現(xiàn)能力較為薄弱，所以也有業(yè)者開(kāi)始開(kāi)法利用紫外光LED搭配RGB螢光粉。但是這樣的作法還是有其復(fù)雜性的，因?yàn)椴⒉荒軐⒏鱾€(gè)顏色螢光粉單純的混合，因?yàn)槿绾芜_(dá)到接近自然白光的輸出就是一個(gè)難題。不過(guò)有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)為只需要改善白光LED的螢光粉材料濃度均勻性，與螢光粉的制作技術(shù)，應(yīng)該可以克服上述困擾。

就技術(shù)上，如果藍(lán)光LED芯片的光輸出效率如果達(dá)到360mW，配合高階技術(shù)的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，以今天的技術(shù)而言不是困難的課題，例如包括Cree、日亞等等的業(yè)者在2006年已開(kāi)發(fā)出高亮度的藍(lán)光LED芯片。緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗(yàn)者封裝業(yè)者的能力。

但是在提高電流輸入的同時(shí)，所帶來(lái)的熱效應(yīng)，是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯?wèn)題，因?yàn)楸仨氃O(shè)法減少熱阻抗、改善散熱等等問(wèn)題。目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。