背光及照明用LED驅動IC技術市場分析

摘要：從技術和市場經(jīng)濟的角度對LED驅動IC的需求迅速增長作出分析，消費電子用LED驅動器的技術和市場比較成熟，家庭照明用LED驅動器還有技術瓶頸尚待突破。
關鍵詞：LED驅動器；LED燈；LCD背光

　　LED作為綠色環(huán)保的清潔光源得到廣泛的認可。LED使用壽命長、節(jié)能省電、應用簡單方便、使用成本低，因而在手機、MP3、MP4、PMP、DSC(數(shù)碼相機)、PDA、GPS、PND、游戲機、學習機、筆記本電腦等的手持產品的LCD背光；LED手電筒、礦燈便攜照明；在建筑照明、裝飾照明、標識牌照明；在汽車的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈；以及將在家庭照明都會得到海量的應用。


圖1   手機背光LED驅動芯片的演變

　　目前手機彩屏背光應用占LED驅動IC總出貨比重的60%，除了按鍵與彩屏背光應用外，由于照相手機的普及，搭配LED省電與小型化的特性，手機相機閃光燈應用比重逐日提高，將占整體手機應用的35-40%。全球手機產量由2006年的8億臺增長到2007年的11億臺，增幅達40%，2008年預計將生產15億臺。2007年中國手機出貨量將增長21.9%，達5.58億部 ，占據(jù)全球市場的一半左右 。按80%手機采用彩屏計算，2007年手機產品應用的LED驅動IC達6億顆規(guī)模。預估LED驅動IC在消費性電子產品市場將繼續(xù)成倍增長。

　　7-19英寸的LCD屏原用CCFL作為背光，而現(xiàn)在也正在逐步地被LED所蠶食。特別是在歐盟實施RoHS的法令以后，含汞的CCFL被禁止，否則要付10美元的有害物質處理費，這將加快采用LED背光的步伐。在筆記本電腦等更大量產品的液晶屏中，采用LED背光也已成為一種趨勢，因為它不但可以使屏幕的厚度減半(從9mm降到4.5mm)，重量減輕26%，而且還可以節(jié)省50%的耗電，其唯一的不足是目前成本比CCFL高2.38美元，因能減輕重量和節(jié)電預計用戶還是可以接受的。據(jù)估計，2007年有8%的筆記本電腦采用LED作為背光，而2007年筆記本電腦的預計產量為8500萬臺，采用LED作為背光的筆記本電腦將達到680萬臺，這一數(shù)據(jù)還有望突破。LCD-TV和筆記本電腦可望采用LED取代CCFL背光的趨勢已經(jīng)十分清晰。2009年LED驅動IC出貨量將達9.1億顆，年復合成長率將達32%。

LED驅動IC目前市場需求

　　LED驅動IC目前市場需求按應用來分基本有三大類，一是用于消費性電子產品的，其應用特點是以電池為能源，一般為4.2-8.4V，因此低電壓、小電流的LED驅動器是目前量大面廣的產品；二是用于汽車照明產品，因其電源來自汽車蓄電池，一般是48V，所以需要較高電壓降壓的LED驅動IC；三是建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC能直接變換成DC的LED驅動IC，主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。因而不同應用的LED驅動IC是完全不同的。


圖2  手機LCD背光

　　消費性電子產品的LED驅動器擁有比較成熟的技術、產品和相對成熟的市場。2007年全球手機市場使用LED驅動IC達6億顆，2008年將繼續(xù)增長。


圖3  LCD電子燈箱

　　汽車照明產品使用的LED等的數(shù)量較多，大多是串、并聯(lián)驅動，需要較高的電壓，對于取自48V汽車蓄電池的電源來說是十分方便的。目前能耐60V高壓的LED驅動器新品推出已較多。因而在汽車前裝市場直接采用LED的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈的市場十分看好和樂觀。

　　建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC能直接變換成DC恒流源的LED驅動IC，目前還不能提供單個SOC的集成電路產品，大多數(shù)是模塊電路。建筑裝飾照明在國內各大城市應用已十分廣泛，節(jié)能效果顯著。社會對家庭用LED照明燈需要量將是一個天文數(shù)字，但目前的家庭用LED照明燈技術和生產成本離大批量生產還有一定的距離，尚需努力。
　　
LCD背光用LED工作原理

　　要設計LED驅動的應用電路，首先要了解LED的工作原理。LED工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關的是顏色、波長、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。VF前降電壓是為LED發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)。IF前降電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過的電流成正比例。LED VF標稱電壓：3.4V±0.2。LED IF工作電流按應用需要選用，LED產品的IF從5-500mA。以手機為例，手機鍵盤背光使用電流為5-10mA、LCD背光使用電流為15-20mA、相機閃光燈使用電流為100-500mA它們的IF都不相同，各擋LED不能混用。

消費性電子產品常用LED驅動IC

　　消費性電子產品LCD屏的背光一般是2-8顆LED燈，并聯(lián)或單顆供電的應用居多。自2000年來，消費性電子產品常用LED驅動IC有DC/DC開關穩(wěn)壓器(Boost)、電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant)和低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。


表1 移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇

　　DC/DC開關穩(wěn)壓器是用電感器來儲存電能的，而電感器容易發(fā)射開關頻率，易對射頻(RF)發(fā)生新的干擾，因此在手機產品中用得較少。電荷泵也是一種開關穩(wěn)壓器，但它是用電容器作電能儲能，因而不會發(fā)射開關頻率，在手機產品中占了最大的份額。LED發(fā)光要求IF恒流，恒流源就是針對這個市場而特別設計、生產的，恒流源的價格是電荷泵的50%，因而近年來在普及型手機產品中也占有一定的份額。普及型手機產品苛求成本下降，手機背光驅動單元尚可榨油的就是降低LED驅動IC的成本，大多數(shù)手機的關機電壓設計在電池電壓降至3.3V時，因此恒流源就設計成在4.2V-3.3V時恒流輸出20-30mA，3.3V以下輸出電流急降。電荷泵的賣點是效率(η)，但大多數(shù)電荷泵在4.2V-3.3V時其轉換效率并不高，當電池電壓降到3.0V-2.5V時它的轉換效率能達85-90%，可惜在目前大多數(shù)的手機方案中并不能發(fā)揮其優(yōu)勢。LDO是一個性能很好的低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓穩(wěn)定，當負載不變時，它流過負載的電流也恒定，基于此原理LDO也是一個很好的LED驅動器。就目前手機用LED驅動IC而言，一個DC/DC(Boost)的售價是USD0.12-0.15，一個電荷泵的售價是USD0.20-0.25，一個恒流源的售價是0.09-0.12，一個LDO只幾分美金，對于降低手機背光驅動單元成本，有一定的空間，今年來不少普及型手機都已選用。手機背光LED驅動芯片的演變如圖1所示。手機LCD背光如圖2。


圖4  照明用白光LED管芯

　　手機除了彩屏背光需要LED驅動IC，手機的鍵盤背光，手機相機的閃光燈也需要LED驅動IC。其特點是低電壓、小電流，因為是以電池為能源的。


圖5  家用LED照明燈樣品

　　沒有RF部分的消費電子產品的LCD屏背光驅動可以選用DC/DC開關穩(wěn)壓器，LED一般是N串聯(lián)+N并聯(lián)使用，工作電壓略高，工作電流較小。多個LED的串并聯(lián)可作較大的LCD屏背光源，如圖3 LCD電子燈箱。此外，還有如LED手電筒。

移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇

　　移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇，按LCD的面積來設定需要LED點光源的個數(shù)；按LED的N串N并的點亮方式來選擇不同工作原理、不同輸出能力的LED驅動IC；1.8英寸~3.5英寸手機用LCM其LED點光源是2-4顆LED；3.5英寸~8.0英寸 MP3/MP4/PDP/GPS/PND/DPF用LCM其LED點光源是6-28顆LED；12.1英寸~15.4英寸筆記本電腦用LCM其LED點光源是48-60-72顆LED；手機有RF怕干擾，因此大多數(shù)不選用以電感器為電能儲存器的DC/DC Boost；沒有RF的消費電子產品，大多選用DC/DC Boost，因其能輸出較高電壓，和有較高效率；常用LED驅動IC有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開關穩(wěn)壓器( DC/DC Boost )。背光LED驅動IC的選擇如表1。

家庭用LED照明燈驅動器

　　家庭用的照明燈目前還沒有成熟的產品，家庭用的照明燈的功率要求10W以上。目前市售的1-5W LED燈在家庭只能作為壁燈和輔助照明用，因為他們的亮度還達不到白熾燈、熒光節(jié)能燈的要求，還不能作為書寫閱讀照明用?，F(xiàn)在的高亮度LED燈價格十分昂貴，非一般老百姓能享用的。

　　白光LED技術突飛猛進，用作照明燈源的單顆芯片的LED，其功率越做越大，已經(jīng)大批量生產投放市場的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達到4400lm。大功率照明用LED其封裝從成品來看是單顆芯片的，其實是用N顆LED管芯封裝在一個單位里的(如圖4)。它們的排列組合是串并聯(lián)，它們是N個串聯(lián)，再N個并聯(lián)，然后由二點聯(lián)接電源。大功率照明用LED的大批量生產給最終生產照明用LED燈創(chuàng)造了必須的條件和物質基礎。

　　高亮度和大功率LED照明燈進入家庭用在應用技術上還有技術瓶頸亟待解決，主要是芯片散熱(熱量管理)、發(fā)光亮度(流明)和EMI/EMC，成本下降也是一個關鍵問題。家庭照明用LED驅動IC技術還在攻堅中，驅動芯片需要采用700VBCD高壓工藝；芯片內的MOSFET要做好熱量管理，要考慮驅動IC的散熱設計；AC到DC恒流源各功能芯片整合在一個封裝內的SOC需要創(chuàng)新一個新的電源芯片模式。家用LED照明燈樣品如圖5。


圖6  PT4115應用電原理圖

　　開關電源式恒流源可能是AC到DC恒流源比較有效的方法之一。開關電源的效率高達65%-85%。電源效率的提高使設備制造商得以將待機電流降低到Energy Star(能源之星)和Blue Angel(藍天使)認證所需的水平。


圖7 MR16射燈新恒流源板實物

　　家庭用的照明燈采用白光LED是科技發(fā)展的必然趨勢。家庭用白光LED照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長是不爭的事實，只是目前還需等待產業(yè)化生產的技術成熟和成本的進一步下降。熒光節(jié)能燈從產品誕生到進入千家萬戶百姓家庭普及也差不多經(jīng)歷了十年的時間。家庭用照明燈的發(fā)光效率及平均壽命比較如表2。


表2   家用照明燈發(fā)光效率及平均壽命的比較

　　歐美等國在2007年2月和3月分別通過政府決議，在未來二年逐步取消白熾燈，提倡使用節(jié)能燈和LED照明燈。由此，LED照明燈進入千家萬戶揭開序幕，其市場需求量將是一天文數(shù)字。集成電路和燈具廠商紛紛開始行動，奔向這個巨大市場。

　　大功率照明燈用LED制造技術突飛猛進，今天已經(jīng)能大批量生產了，而且在向增加LED發(fā)光效率(lm/W)方面努力；從AC到DC恒流源輸出、經(jīng)濟而有效地驅動大功率照明燈用LED的芯片還需要更多的集成電路開發(fā)廠商投入，迎合未來市場的創(chuàng)新設計是贏得高利潤回報的先決條件，抓住機遇、發(fā)揮創(chuàng)造力、配合必要的財力和物力是企業(yè)成功的理念。

參考文獻：
1.  顏重光，低壓差線性穩(wěn)壓器的選用技術，http://www.eetchina.com/ART_8800298692_628868_TA_6be9e90a.HTM
2.  顏重光，手機相機的低壓閃光燈驅動電路設計及器件選擇指南，http://www.cellphone.eetchina.com/ART_8800350556_2000007_TA_1ec71383.HTM
3.  顏重光，可驅動32個LED的BL8532，http://www.mediaplayer.eetchina.com/ART_8800478494_2200003_TA_7ca8fe1b.HTM
4.  顏重光，LCD顯示屏的器件選擇和驅動電路設計，http://www.ed-china.com/ART_8800011795_400003_500002_TS_9041a624.HTM
5.  顏重光，便攜產品電源芯片的應用技術，http://www.eetchina.com/ART_8800403765_628868.HTM
6.  顏重光，TFT-LCD背光設計策略，http://butianyuan.cn/article/7633.htm