背光及照明用LED 驅(qū)動(dòng)IC

1、背光及照明用LED 驅(qū)動(dòng)IC 技術(shù)市場(chǎng)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)IC 的需求迅速增長(zhǎng)作出分析，消費(fèi)電子用LED 驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)和市場(chǎng)比較成熟，家庭照明用LED 驅(qū)動(dòng)器還有技術(shù)瓶頸尚待突破。關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動(dòng)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(rèn)可。LED 使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能省電、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便、使用成本低，因而在手機(jī)、MP3、MP4、PMP、DSC（數(shù)碼相機(jī)）、PDA、GPS、PND、游戲機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、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(biāo)識(shí)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(huì)得到海量的應(yīng)用。目前手機(jī)彩屏背光應(yīng)用占LED 驅(qū)動(dòng)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(jī)的普及，搭配LED 省電與小型化的特性，手機(jī)相機(jī)閃光燈應(yīng)用比重逐日提高，將占整體手機(jī)應(yīng)用的3540%。全球手機(jī)產(chǎn)量由2006年的8億臺(tái)增長(zhǎng)到2007年的11億臺(tái)，增幅達(dá)40%，2008年預(yù)計(jì)將生產(chǎn)15億臺(tái)。2007年中國手機(jī)出貨量增長(zhǎng)21.9%，達(dá)5.58億部 ，占據(jù)全球市場(chǎng)的一半左右 。按80%手機(jī)采用彩屏計(jì)算，2007年手機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用的LED 驅(qū)動(dòng)IC 達(dá)6億顆規(guī)模。預(yù)估LED 驅(qū)動(dòng)IC 在消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)

3、將繼續(xù)大幅增長(zhǎng)。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(shí)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(fèi)，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(shì)，因?yàn)樗坏梢允蛊聊坏暮穸葴p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(jì)用戶還是可以接受的。據(jù)估計(jì)，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(jì)產(chǎn)量為8,500萬臺(tái)，采用LED 作為背光的筆記本電腦達(dá)到680萬臺(tái)，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(shì)已經(jīng)十分清晰。2009年LED 驅(qū)動(dòng)IC 出貨量將達(dá)9.1億顆，年復(fù)合成長(zhǎng)率將達(dá)32%。1 LED驅(qū)動(dòng)IC 目前市場(chǎng)需求LED 驅(qū)動(dòng)IC 目前市場(chǎng)需求按應(yīng)用來分基本有三大類，一是用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品的，其應(yīng)用特點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)IC，主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，并同時(shí)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(dòng)IC 是完全不同的。消費(fèi)性電子產(chǎn)品的LED 驅(qū)動(dòng)器擁有比較成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和相對(duì)成熟的市場(chǎng)。2007年全球手機(jī)市場(chǎng)使用LED 驅(qū)動(dòng)IC 達(dá)6億顆，2008年將繼續(xù)增長(zhǎng)。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(dòng)，需要較高的電壓，對(duì)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(dòng)器新品推出已較多。因而在汽車前裝市場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)IC，目前還不能提供單個(gè)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(huì)對(duì)家庭用LED 照明燈需要量將是一個(gè)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(jì)LED 驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。前降電壓V F 是為L(zhǎng)ED 發(fā)光建立一個(gè)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(biāo)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(jī)為例，手機(jī)鍵盤背光使用電流為510mA、LCD背光使用電流為1520mA、相機(jī)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(fèi)性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動(dòng)IC消費(fèi)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(fèi)性電子產(chǎn)品常用的LED 驅(qū)動(dòng)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(chǔ)存電能的，而電感器容易發(fā)射開關(guān)頻率，易對(duì)射頻（RF）發(fā)生新的干擾，因此在手機(jī)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(chǔ)能，因而不會(huì)發(fā)射開關(guān)頻率，在手機(jī)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(duì)這個(gè)市場(chǎng)而特別設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的，恒流源的價(jià)格是電荷泵的50%，因而近年來在普及型手機(jī)產(chǎn)品中也占有一定的份額。普及型手機(jī)產(chǎn)品苛求成本下降，手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)單元尚可榨油的就是降低LED 驅(qū)動(dòng)IC 的成本，大多數(shù)手機(jī)的關(guān)機(jī)電壓設(shè)計(jì)在電池電壓降至3.3V 時(shí)，因此恒流源就設(shè)計(jì)成在4.2V3.3V時(shí)恒流輸出2030mA，3.3V 以下輸出電

9、流急降。電荷泵的賣點(diǎn)是效率（），但大多數(shù)電荷泵在4.2V3.3V時(shí)其轉(zhuǎn)換效率并不高，當(dāng)電池電壓降到3.0V2.5V時(shí)它的轉(zhuǎn)換效率能達(dá)8590%，可惜在目前大多數(shù)的手機(jī)方案中并不能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。LDO是一個(gè)性能很好的低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，它流過負(fù)載的電流也恒定，基于此原理LDO 也是一個(gè)很好的LED 驅(qū)動(dòng)器。就目前手機(jī)用LED 驅(qū)動(dòng)IC 而言，一個(gè)DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器（Boost）的售價(jià)是0.120.15美元,一個(gè)電荷泵的售價(jià)是0.200.25美元,一個(gè)恒流源的售價(jià)是0.090.12美元，一個(gè)LDO 只幾美分，對(duì)于降低手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)單元成本，有一定的空間，今年來不少普及型手機(jī)都已

10、選用。手機(jī)背光LED 驅(qū)動(dòng)芯片的演變?nèi)鐖D1所示。手機(jī)LCD 背光如圖2。 圖1 手機(jī)背光LED 驅(qū)動(dòng)芯片的演變手機(jī)除了彩屏背光需要LED 驅(qū)動(dòng)IC，手機(jī)的鍵盤背光，手機(jī)相機(jī)的閃光燈也需要LED 驅(qū)動(dòng)IC。其特點(diǎn)是低電壓、小電流，因?yàn)槭且噪姵貫槟茉吹?。沒有RF 部分的消費(fèi)電子產(chǎn)品的LCD 屏背光驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jī)LCD 背光 圖3 LCD電子燈箱移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背

11、光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇，按LCD 的面積來設(shè)定需要LED 點(diǎn)光源的個(gè)數(shù)；按LED 的N 串N 并的點(diǎn)亮方式來選擇不同工作原理、不同輸出能力的LED 驅(qū)動(dòng)IC；1.8英寸3.5英寸手機(jī)用LCM 其LED 點(diǎn)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(diǎn)光源是628顆LED；12.1英寸15.4英寸筆記本電腦用LCM 其LED 點(diǎn)光源是486072顆LED；手機(jī)有RF 怕干擾，因此大多數(shù)不選用以電感器為電能儲(chǔ)存器的DC/DC升壓；沒有RF 的消費(fèi)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(dòng)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(dòng)IC 的選擇如表1。 表1 移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇家庭用LED 照明燈驅(qū)動(dòng)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?yàn)樗麄兊牧炼冗€達(dá)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(jià)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(jìn)，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(chǎng)

13、的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達(dá)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(shí)是用N 顆LED 管芯封裝在一個(gè)單位里的（如圖4）。它們的排列組合是串并聯(lián)，它們是N 個(gè)串聯(lián)，再N 個(gè)并聯(lián)，然后由二點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)插口 AC/DC恒流高亮度和大功率LED 照明燈進(jìn)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(gè)關(guān)

14、鍵問題。家庭照明用LED 驅(qū)動(dòng)IC 技術(shù)還在技術(shù)攻堅(jiān)中，驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC 的散熱設(shè)計(jì)；AC 到DC 恒流源各功能芯片整合在一個(gè)封裝的SOC 內(nèi)還需要?jiǎng)?chuàng)新一個(gè)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(zhǎng)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(dòng)IC 迅速進(jìn)入燈具行業(yè)，降低了應(yīng)用技術(shù)的門檻。AC12 V經(jīng)四個(gè)SS14橋式整流即有1418 V的直流可供PT4115 LED驅(qū)動(dòng)IC 工作，可點(diǎn)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(jì)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(shí)物。 圖6 PT4115應(yīng)用電原理圖 圖7 MR16射燈新恒流源板實(shí)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(dá)65%85%。電源效率的提高使設(shè)備制造商得以將待機(jī)電流降低到能源之星(Energy Star和藍(lán)天使 (Blue Angel 認(rèn)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(shì)。家庭用白光LED 照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，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(jìn)一步下降。熒光節(jié)能燈從產(chǎn)品誕生到進(jìn)入千家萬戶百姓家庭普及也差不多經(jīng)歷了十年的時(shí)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