背光及照明用LED 驅(qū)動IC

1、背光及照明用LED 驅(qū)動IC 技術(shù)市場分析華潤矽威科技（上海）有限公司 顏重光 高工摘 要：從技術(shù)和市場經(jīng)濟的角度對LED 驅(qū)動IC 的需求迅速增長作出分析，消費電子用LED 驅(qū)動器的技術(shù)和市場比較成熟，家庭照明用LED 驅(qū)動器還有技術(shù)瓶頸尚待突破。關(guān)鍵詞：LED驅(qū)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(yīng)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(xué)習(xí)機、筆記本電腦等的手持產(chǎn)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

2、表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈；以及將來家庭照明等方面都會得到海量的應(yīng)用。目前手機彩屏背光應(yīng)用占LED 驅(qū)動IC 總出貨比重的60%，除了按鍵與彩屏背光應(yīng)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(yīng)用比重逐日提高，將占整體手機應(yīng)用的3540%。全球手機產(chǎn)量由2006年的8億臺增長到2007年的11億臺，增幅達40%，2008年預(yù)計將生產(chǎn)15億臺。2007年中國手機出貨量增長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(chǎn)品應(yīng)用的LED 驅(qū)動IC 達6億顆規(guī)模。預(yù)估LED 驅(qū)動IC 在消費性電子產(chǎn)品市場

3、將繼續(xù)大幅增長。719英寸（1英寸=25.4毫米）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(zhì)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(chǎn)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 減到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(yù)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(yù)

4、計產(chǎn)量為8,500萬臺，采用LED 作為背光的筆記本電腦達到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(qū)動IC 出貨量將達9.1億顆，年復(fù)合成長率將達32%。1 LED驅(qū)動IC 目前市場需求LED 驅(qū)動IC 目前市場需求按應(yīng)用來分基本有三大類，一是用于消費性電子產(chǎn)品的，其應(yīng)用特點是以電池為能源，一般為4.28.4V，因此低電壓、小電流的LED 驅(qū)動器是目前量大面廣的產(chǎn)品；二是用于汽車照明產(chǎn)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(qū)動IC；三是建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC

5、 直接變換成DC 的LED 驅(qū)動IC，主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)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(yīng)用的LED 驅(qū)動IC 是完全不同的。消費性電子產(chǎn)品的LED 驅(qū)動器擁有比較成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和相對成熟的市場。2007年全球手機市場使用LED 驅(qū)動IC 達6億顆，2008年將繼續(xù)增長。汽車照明產(chǎn)品使用的LED 的數(shù)量較多，大多是串、并聯(lián)驅(qū)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(qū)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

6、和家庭照明，則需要將AC 能直接變換成DC 恒流源的LED 驅(qū)動IC，目前還不能提供單個SOC 的集成電路產(chǎn)品，大多數(shù)是模塊電路。建筑裝飾照明在國內(nèi)各大城市應(yīng)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(shù)和生產(chǎn)成本離大批量生產(chǎn)還有一定的距離，尚需努力。2 LCD背光用LED 工作原理要設(shè)計LED 驅(qū)動的應(yīng)用電路，首先要了解LED 的工作原理。LED工作的主要參數(shù)是V F 、IF ，其它相關(guān)的是顏色、波長、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。前降電壓V F 是為LED 發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)。前降電流I F 是促使LED 發(fā)光，發(fā)光

7、亮度與流過的電流成正比例。LED VF 標稱電壓：3.4V±0.2V。LED IF 工作電流按應(yīng)用需要選用， IF 從5500mA。以手機為例，手機鍵盤背光使用電流為510mA、LCD背光使用電流為1520mA、相機閃光燈使用電流為100500Ma，它們所需的I F 都不相同，各擋LED 不能混用。3 消費性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動IC消費性電子產(chǎn)品LCD 屏的背光一般是28顆LED 燈，并聯(lián)或單顆供電的應(yīng)用居多。自2000年來，消費性電子產(chǎn)品常用的LED 驅(qū)動IC 有DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器（Boost）、電荷泵（Charge Pump）、恒流源（Constant）和低壓差穩(wěn)壓器（LD

8、O）。DC/DC開關(guān)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(guān)頻率，易對射頻（RF）發(fā)生新的干擾，因此在手機產(chǎn)品中用得較少。電荷泵也是一種開關(guān)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(guān)頻率，在手機產(chǎn)品中占了最大的份額。LED發(fā)光要求I F 恒流，恒流源就是針對這個市場而特別設(shè)計、生產(chǎn)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(chǎn)品中也占有一定的份額。普及型手機產(chǎn)品苛求成本下降，手機背光驅(qū)動單元尚可榨油的就是降低LED 驅(qū)動IC 的成本，大多數(shù)手機的關(guān)機電壓設(shè)計在電池電壓降至3.3V 時，因此恒流源就設(shè)計成在4.2V3.3V時恒流輸出2030mA，3.3V 以下輸出電

9、流急降。電荷泵的賣點是效率（），但大多數(shù)電荷泵在4.2V3.3V時其轉(zhuǎn)換效率并不高，當電池電壓降到3.0V2.5V時它的轉(zhuǎn)換效率能達8590%，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(qū)動器。就目前手機用LED 驅(qū)動IC 而言，一個DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器（Boost）的售價是0.120.15美元,一個電荷泵的售價是0.200.25美元,一個恒流源的售價是0.090.12美元，一個LDO 只幾美分，對于降低手機背光驅(qū)動單元成本，有一定的空間，今年來不少普及型手機都已

10、選用。手機背光LED 驅(qū)動芯片的演變?nèi)鐖D1所示。手機LCD 背光如圖2。 圖1 手機背光LED 驅(qū)動芯片的演變手機除了彩屏背光需要LED 驅(qū)動IC，手機的鍵盤背光，手機相機的閃光燈也需要LED 驅(qū)動IC。其特點是低電壓、小電流，因為是以電池為能源的。沒有RF 部分的消費電子產(chǎn)品的LCD 屏背光驅(qū)動可以選用DC/DC開關(guān)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。 圖2 手機LCD 背光 圖3 LCD電子燈箱移動手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動IC 的選擇移動手持顯示產(chǎn)品背

11、光LED 驅(qū)動IC 的選擇，按LCD 的面積來設(shè)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(qū)動IC；1.8英寸3.5英寸手機用LCM 其LED 點光源是24顆LED；3.5英寸8.0英寸MP3/MP4/PDP/GPS/PND/DPF用LCM 其LED 點光源是628顆LED；12.1英寸15.4英寸筆記本電腦用LCM 其LED 點光源是486072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升壓；沒有RF 的消費電子產(chǎn)品，大多選用DC/DC 升壓，因其能輸出較高電壓，和有較高效率；常用LED 驅(qū)動I

12、C 有電荷泵（Charge Pump）、恒流源（Constant current）、電感升壓開關(guān)穩(wěn)壓器（ DC/DC升壓）。背光LED 驅(qū)動IC 的選擇如表1。 表1 移動手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動IC 的選擇家庭用LED 照明燈驅(qū)動器家庭用的照明燈目前還沒有成熟的產(chǎn)品，家庭用的照明燈的功率要求10W 以上。目前市售的15W 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。現(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(shù)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(chǎn)投放市場

13、的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達到4400 lm。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(chǎn)給最終生產(chǎn)照明用LED 燈創(chuàng)造了必須的條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。 圖4 照明用白光LED 管芯 圖5 家用LED照明燈樣品 標準插口 AC/DC恒流高亮度和大功率LED 照明燈進入家庭應(yīng)用在技術(shù)上還有技術(shù)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(guān)

14、鍵問題。家庭照明用LED 驅(qū)動IC 技術(shù)還在技術(shù)攻堅中，驅(qū)動芯片需要采用700V BCD高壓工藝；芯片內(nèi)的MOSFET 要做好熱量管理，要考慮驅(qū)動IC 的散熱設(shè)計；AC 到DC 恒流源各功能芯片整合在一個封裝的SOC 內(nèi)還需要創(chuàng)新一個新的電源芯片模式。家用LED 照明燈樣品如圖5。近年MR16射燈其發(fā)光源已從低效率的鹵素?zé)襞蓓樌^度到綠色節(jié)能、高效、長壽命的LED IC。MR16射燈使用12 V的AC/DC電源，使得低電壓、大電流的LED 驅(qū)動IC 迅速進入燈具行業(yè)，降低了應(yīng)用技術(shù)的門檻。AC12 V經(jīng)四個SS14橋式整流即有1418 V的直流可供PT4115 LED驅(qū)動IC 工作，可點亮一顆

15、3W 或三顆1W 的高亮度LED IC，系統(tǒng)應(yīng)用器件很少，是十分經(jīng)濟有效的方案。圖6是PT4115應(yīng)用電原理圖，圖7是MR16射燈新恒流源板實物。 圖6 PT4115應(yīng)用電原理圖 圖7 MR16射燈新恒流源板實物。開關(guān)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(guān)電源的效率高達65%85%。電源效率的提高使設(shè)備制造商得以將待機電流降低到能源之星(Energy Star和藍天使 (Blue Angel 認證所需的水平。 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(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)成熟和成本的進一步

16、下降。熒光節(jié)能燈從產(chǎn)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。 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(shù)突飛猛進，今天已經(jīng)能大批量生產(chǎn)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(qū)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(shè)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。表2 參數(shù) 發(fā)光效率 (lm/W 平均壽命 （h） 家用照明燈發(fā)光效率及平均壽命的比較 白熾燈 （40W） 716 1k2k 熒光燈 （36W） 5060 2k12k 節(jié)能熒光燈 （511W） 5070 6k8k 白光 LED 3045 50k80k 參考資料： 1 低 壓 差 線 性 穩(wěn) 壓 器 的 選 用 技