淺析LED及驅(qū)動(dòng)IC、材料的技術(shù)市場(chǎng)
LED應(yīng)用像早晨太陽(yáng)
如有說(shuō)在低迷的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中還有一些亮點(diǎn),LED光源及其驅(qū)動(dòng)器可以算做一個(gè)了。尤其在2008年的北京奧運(yùn)中,光彩奪目的LED燈光秀讓全世界都嘆為觀止,可謂將中國(guó)的LED顯示技術(shù)劃下一個(gè)完美的驚嘆號(hào)。
最近幾年是LED發(fā)展的生長(zhǎng)期,主要有幾大類應(yīng)用:1,LED照明應(yīng)用正如早晨六七點(diǎn)鐘的太陽(yáng)徐徐升起。LED燈具有綠色、節(jié)能、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn),戶外照明的動(dòng)力來(lái)源于政府的節(jié)能及環(huán)保政策,廣告燈飾來(lái)自企業(yè)買單,因此需求數(shù)量龐大,發(fā)展可觀;室內(nèi)照明作為千家萬(wàn)戶都需要的海量產(chǎn)品,隨著LED成本的進(jìn)一步降低,發(fā)展?jié)摿薮蟆?,LED背光應(yīng)用涉及到人們?nèi)粘?yīng)用的手機(jī)、MP3、NB(筆記本電腦)等便攜式產(chǎn)品,到電視等大型消費(fèi)電子的LCD屏。3,LED汽車照明,主要是車前后燈應(yīng)用,尤其究高能效汽車的興起,使之升溫。除此之外,還有工業(yè)照明、照相機(jī)閃光燈等特殊應(yīng)用。
因此,隸屬半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的LED光源及其驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)發(fā)展迅猛。目前全球白光LED光源專利主要掌握廠商為日本的Nichia、TG,美國(guó)的Cree及歐洲的Philip和歐司朗[1]。LED產(chǎn)業(yè)也不知不覺(jué)間進(jìn)入了我們的視野,成就了很多新廠商,例如Lighthouse(兆光科技)成立只有11年,已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的LED顯示屏供應(yīng)商,我國(guó)知名的LED顯示屏制造商北京利亞德(Leyard) 為北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式的畫(huà)卷搭配了臺(tái)灣省聚積科技57萬(wàn)塊驅(qū)動(dòng)芯片——MBI5030,韓國(guó)Seoul半導(dǎo)體、Diodes Zetex(注:Diodes收購(gòu)了Zetex)、Leadis等公司也日益壯大。
圖1 照片來(lái)源:北京利亞德
“中國(guó)的LED市場(chǎng)目前看來(lái)還是比較分散,主要集中在標(biāo)識(shí)、信號(hào)、移動(dòng)以及照明應(yīng)用方面。中國(guó)的LED市場(chǎng)份額還比較小,但是在過(guò)去幾年保持了非常快的增長(zhǎng)速度?!钡揽祵庪娮赢a(chǎn)品工業(yè)部光學(xué)材料全球市場(chǎng)總監(jiān)Billy Han說(shuō),“LED行業(yè)的發(fā)展相當(dāng)迅速,特別是在照明領(lǐng)域,而成本的競(jìng)爭(zhēng)力是非常重要的。鑒于此,預(yù)計(jì)中國(guó)的LED行業(yè)將會(huì)繼續(xù)保持高于行業(yè)平均的增長(zhǎng)速度成長(zhǎng)?!?/P>
照片:道康寧電子產(chǎn)品工業(yè)部光學(xué)材料全球市場(chǎng)總監(jiān)Billy Han
照明的四個(gè)驅(qū)動(dòng)力
@環(huán)保節(jié)能
LED最主要的應(yīng)用還有路燈和普通的照明燈。因?yàn)長(zhǎng)ED的省電效能是白熾燈的20倍,熒光燈的5倍?!皞鹘y(tǒng)的鎢絲燈、高放電電流燈泡(HID)和冷陰極螢光燈(CCFL)將會(huì)被淘汰,取而代之的是能耗較低、公害較少的LED燈?!泵绹?guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理何賢斌指出。因?yàn)長(zhǎng)ED不含任何危險(xiǎn)材料,不像CFL在其燈管內(nèi)部存在有毒的汞蒸氣,可謂“綠色環(huán)?!?。
照片 NS中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理何賢斌
美國(guó)能源部指出:照明所消耗的能量占美國(guó)年發(fā)電量的22%,因此LED的節(jié)能作用頗具意義。LED照明的廣泛使用將使此項(xiàng)能耗下降50%。如果客觀地考慮到這一點(diǎn),那么到2027年,LED照明所實(shí)現(xiàn)的年度能耗減少量將相當(dāng)于5億桶石油,同時(shí)還減少了二氧化碳的排放量。
@LED光輸出
高功率LED的光輸出已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有重要里程碑意義的100流明/瓦,有的制造商甚至聲稱其LED光輸出達(dá)到了120流明/瓦。這意味著,就能量效率而言,LED如今已經(jīng)超越了CFL(其光輸出為80流明/瓦)。據(jù)預(yù)測(cè),到2012年,LED的光輸出將達(dá)到150流明/瓦。
@LED成本下降
“價(jià)格是一個(gè)關(guān)鍵的因素,特別是在中國(guó)市場(chǎng)?!盌iodes Zetex公司亞太區(qū)技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)梁后權(quán)說(shuō)。Intersil工業(yè)和通信電源部市場(chǎng)行銷經(jīng)理Robert L.Lucas說(shuō),目前照明用單LED每個(gè)2美元,相比之下,LED的驅(qū)動(dòng)價(jià)格倒顯得不貴。如果有機(jī)會(huì)使LED的價(jià)格大幅下調(diào)的話,LED普及問(wèn)題可以迎刃而解。Power Integrations公司(簡(jiǎn)稱PI)對(duì)此也有同感,市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey認(rèn)為普通LED照明市場(chǎng)所面臨的主要障礙是,還無(wú)法證明其整體擁有成本(TCO)與其他照明產(chǎn)品(白熾燈、鹵素?zé)?、LFL/CFL等)相比具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果你的產(chǎn)品具有非常長(zhǎng)的使用壽命(35~50~100K小時(shí))并采用高效驅(qū)動(dòng)器的話,那么問(wèn)題就解決。效率高出10%、使用壽命為50K小時(shí)的10W LED驅(qū)動(dòng)器可以節(jié)省10美元的電費(fèi)。節(jié)省的這筆費(fèi)用可以降低TCO,從而使LED燈的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)。
照片 Diodes Zetex公司亞太區(qū)技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)梁后權(quán)
Intersil工業(yè)和通信電源部市場(chǎng)行銷經(jīng)理Robert L.Lucas
PI市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Doug Bailey
不過(guò),“LED照明的成本下降得非????!绷枇柼毓倦娫串a(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)主管Tony Armstrong舉例說(shuō),“Polybrite公司 (一家采用LED技術(shù)的照明產(chǎn)品領(lǐng)先供應(yīng)商) 指出:在過(guò)去的12個(gè)月里,個(gè)別白光二極管 (某些已被LED燈泡所采用并占據(jù)其大部分成本) 的價(jià)格已經(jīng)從8美元降至1.50美元。他們進(jìn)一步預(yù)測(cè),在2009年,用LED燈泡替換白熾燈泡的價(jià)位將為消費(fèi)者所接受?!?/P>
照片 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)主管Tony Armstrong
@應(yīng)用升溫
LED的應(yīng)用以照明和背光為主,除此之外,還有汽車車燈應(yīng)用。
其中大型LED顯示屏增長(zhǎng)最快。據(jù)DIGITIMES的預(yù)估,大型LED顯示屏用LED產(chǎn)值2008年至2010年分別為11.8億、16.4億、23.2億美元,年成長(zhǎng)率分別為34.1%、39%、41.5%,可謂是LED眾應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中,年成長(zhǎng)率最顯著的產(chǎn)品。
由于LED顯示屏采用了低電壓掃描驅(qū)動(dòng),具有耗電省、壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠(yuǎn)、防水、規(guī)格品種多等優(yōu)點(diǎn),可以滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求,即便是在太陽(yáng)光直射下,屏幕也可以調(diào)整自身亮度來(lái)適應(yīng)高亮度環(huán)境的需求。
此外,外形技術(shù)的突破也將進(jìn)一步拓寬LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域。在外形變化方面,LED顯示屏的形狀也不僅僅局限于傳統(tǒng)的方形;隨著不同應(yīng)用需要,LED顯示屏也可設(shè)計(jì)成不同的形狀。比如,鏈條狀LED顯示屏,突破傳統(tǒng)LED顯示器設(shè)置場(chǎng)所限制,其可繞在圓柱上、鋪在彎曲階梯、或如瀑布般垂下等。同時(shí)LED顯示屏隨著技術(shù)的進(jìn)步,也正朝著不斷減小像素間距的方向發(fā)展,這些都將使得LED顯示屏的成長(zhǎng)潛力不可限量。
高亮LED及驅(qū)動(dòng)技術(shù)動(dòng)向
高亮度LED(HB LED)成為2009年的熱門(mén)話題,近來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,其中包括LCD背光模組,汽車照明,普通照明以及半導(dǎo)體照明,這些應(yīng)用使得高亮度LED未來(lái)5年的成長(zhǎng)前景相當(dāng)樂(lè)觀?!拔覀児烙?jì)年均復(fù)合增長(zhǎng)率為20%?!钡揽祵幍腂illy說(shuō)道。
高亮度(HB)LED的最新趨勢(shì)是大功率、更高的流明/瓦特,以及更高的光電效率。Diodes Zetex公司亞太區(qū)技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)梁后權(quán)解釋說(shuō),白光或暖白光高亮度LED是室內(nèi)照明的最佳選擇,而RGB高亮度LED則適用于裝飾及情調(diào)照明。高亮度LED的另一個(gè)市場(chǎng)是汽車的車頭及車尾燈。雖然HID燈及傳統(tǒng)的電燈泡仍然主導(dǎo)該市場(chǎng),不過(guò)高亮度LED應(yīng)用擁有更好色溫及更長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn),所以逐漸在中國(guó)普及起來(lái)。
眾所周知,高亮度LED系統(tǒng)的熱性能是設(shè)計(jì)人員的重要考慮。這是由于LED應(yīng)用與一般燈泡及低強(qiáng)度的3或5mm軸向LED不同,它所產(chǎn)生的熱量非常低。燈泡也會(huì)產(chǎn)生大量熱能,但這并不會(huì)構(gòu)成任何問(wèn)題。但是,高亮度LED產(chǎn)生過(guò)多熱度時(shí),熱能需要在最短時(shí)間內(nèi)散去,以避免對(duì)LED造成損害。因此,從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講,系統(tǒng)的熱量問(wèn)題是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。梁后權(quán)說(shuō):“Diodes Zetex的高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的操作溫度可維持于世界級(jí)的125℃。憑藉此優(yōu)勢(shì),整體系統(tǒng)的可靠性能夠在高操作溫度下提升。這個(gè)特性是照明系統(tǒng)——特別是高亮度LED照明系統(tǒng)的必要條件?!?/P>
由于高亮度LED的使用壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí),所以高亮度LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直都需要尋求可靠的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的具體考慮包括光電效率、流明/瓦特、色溫漂移、光強(qiáng)度隨時(shí)日衰減的情況,以及封裝的熱阻性。此外,設(shè)計(jì)人員也一直尋求高正向電壓、高色溫及高強(qiáng)度的高亮度LED。這些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的可視功能發(fā)揮著重大的作用。市場(chǎng)需要的LED驅(qū)動(dòng)器需擁有細(xì)小、低熱阻的封裝,并具有高可靠性、高效率,還有良好的LED調(diào)光功能,如高調(diào)光比的PWM及DC調(diào)光功能。
另一項(xiàng)挑戰(zhàn)可說(shuō)是系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì),因?yàn)檫@涉及各種各樣的參數(shù),例如外殼、透鏡及反射鏡的用料及設(shè)計(jì),甚至是LED的觀看角度。系統(tǒng)的整體效率則是最終的考驗(yàn)。低效率的系統(tǒng)會(huì)造成很多問(wèn)題,例如過(guò)熱、縮短使用壽命、降低可靠性,更嚴(yán)重的問(wèn)題是周邊溫度上升,使高亮度LED的光衰弱加深。因此,這為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)器廠商提出了挑戰(zhàn)。Diodes Zetex稱能夠幫助設(shè)計(jì)人員克服這些問(wèn)題,包括提供評(píng)估板、應(yīng)用及設(shè)計(jì)資料、模擬模型和Excel計(jì)算器,并由經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程人員為客戶提供協(xié)助,可顯著縮減設(shè)計(jì)周期。
亮度調(diào)節(jié)方面需要微控制器驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)楦呒?jí)LED燈具設(shè)備需要通過(guò)控制LED的電流和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的智能驅(qū)動(dòng)電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)長(zhǎng)ED本身并不能像傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈一樣發(fā)出高亮度的白光。并且當(dāng)今絕大多數(shù)基于LED的設(shè)備要求實(shí)現(xiàn)能夠隨時(shí)間而變化的光線輸出。這些特性和要求給很多照明制造廠商帶來(lái)困擾?!癈ypress可以提供特殊的方案幫助解決這些問(wèn)題,”Cypress公關(guān)總監(jiān)Donald Parkman說(shuō),“使用我們的軟件設(shè)計(jì)人員可以輕松編寫(xiě)程序,確保LED 保持精準(zhǔn)的顏色和強(qiáng)度輸出?!?/P>
照片 Cypress公關(guān)總監(jiān)Donald Parkman
DC LED光源及其驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)都已日益完善,價(jià)格呈每年20%~30%的下降,為L(zhǎng)ED燈具的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的氛圍。華潤(rùn)矽威科技有限公司的高工顏重光介紹道,AC LED還是剛剛起步的新產(chǎn)品[2],性能還需要完善,目前的價(jià)格離民用水平還有很大差距,可能還要幾年的時(shí)間才能達(dá)到今天DC LED的水平。不過(guò),很多驅(qū)動(dòng)器廠家沒(méi)有考慮做DC LED。對(duì)此,Intersil的Robert解釋說(shuō),首爾半導(dǎo)體等公司采用AC LED的原因是該公司也同時(shí)做LED光源,因此直接做用AC驅(qū)動(dòng)LED的方案。但大部分獨(dú)立的IC廠商仍然采用直流的驅(qū)動(dòng)器方案,好處是AC和DC隔離開(kāi)來(lái),這樣可以起到保護(hù)LED消費(fèi)端的作用。例如,Intersil的方案能支持110~220V交流電,最高耐壓可達(dá)277V。
照片 華潤(rùn)矽威的高工顏重光
*照明用單LED驅(qū)動(dòng)器將保持增長(zhǎng)勢(shì)頭
由于LED驅(qū)動(dòng)器需要集成到單個(gè)燈體中,PI公司認(rèn)為對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的主要要求如下:
* 效率更高,以降低燈內(nèi)的功率耗散并使LED驅(qū)動(dòng)器能夠在可接受的溫度下進(jìn)行工作;
* 具備功率因數(shù)校正電路,以滿足新出臺(tái)的能源之星規(guī)范;
* 外形尺寸小,以便裝入燈殼內(nèi);
* 優(yōu)先采用隔離式設(shè)計(jì)方案,更容易符合安全要求;
* 在現(xiàn)行要求下,普通照明用單LED芯片將繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭(使得LED燈更難滿足高能效要求)。
不過(guò),中國(guó)雖然目前的LED設(shè)計(jì)活動(dòng)非常活躍。但大部分的設(shè)計(jì)活動(dòng)是針對(duì)歐美市場(chǎng)的,并非針對(duì)本國(guó)市場(chǎng)。
部分LED驅(qū)動(dòng)器及調(diào)光方案
安森美:多樣的LED驅(qū)動(dòng)器及調(diào)光芯片
包括多樣化的元件驅(qū)動(dòng)LED及調(diào)光?!懊客吡髅鲾?shù)不斷提升的LED技術(shù)在2009年將繼續(xù)向前推進(jìn),恒流驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是驅(qū)動(dòng)LED的關(guān)鍵?!卑采腊雽?dǎo)體亞太區(qū)電源管理部市場(chǎng)推廣經(jīng)理蔣家亮說(shuō),“此外,要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固的LED驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品,需要采用系統(tǒng)導(dǎo)向的方法,考慮光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動(dòng)、散熱和光學(xué)等多種因素?!?/P>
安森美專注于運(yùn)用低電壓和高電壓技術(shù),以及在電源管理方面的專長(zhǎng),不斷推出領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品,例如最新的CAT3224驅(qū)動(dòng)器,是業(yè)界首款4A單芯片LED驅(qū)動(dòng)器,為基于超級(jí)電容的LED相機(jī)閃光和工業(yè)應(yīng)用提供高強(qiáng)度LED閃光能力,在這些應(yīng)用中LED被用于替代氙氣閃光。
安森美的LED驅(qū)動(dòng)電源解決方案產(chǎn)品系列,滿足從高壓離線型AC-DC開(kāi)關(guān)電源到寬輸入范圍的中等電壓LED電源,以及便攜產(chǎn)品背光和閃光驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的廣泛需求。
例如離線式PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP1014/1028,含集成的700V高壓MOSFET,具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性,適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。或替代E27/GU10燈。
照片 安森美亞太區(qū)電源管理部市場(chǎng)推廣經(jīng)理蔣家亮
華潤(rùn)矽威:將推出E27燈方案
華潤(rùn)矽威在2006年已量產(chǎn)LED驅(qū)動(dòng)IC。PT4115、PT4107已被國(guó)內(nèi)外客戶用于大批量生產(chǎn)各種LED燈具。2008年起向客戶提供可直接用于LED燈具生產(chǎn)的MR16、LED日光燈、LED吸頂燈等方案的DEMO板、BOM、PCB板圖;2009年推出可直接用于E27 LED燈具生產(chǎn)方案的DEMO板、BOM、PCB板圖;還有不少新的系統(tǒng)應(yīng)用方案在設(shè)計(jì)中,如LED路燈、太陽(yáng)能LED燈等。
聚積科技:首款內(nèi)建16位PWM的LED驅(qū)動(dòng)器
MBI5030號(hào)稱是業(yè)內(nèi)第一款內(nèi)建16位元PWM的智能型LED驅(qū)動(dòng)芯片,可建立最高達(dá)65,536種灰階應(yīng)用的全彩顯示屏,足以提供較寬影像處理能力,符合高階的LED顯示屏對(duì)于色彩表現(xiàn)、灰階表現(xiàn)的高規(guī)格要求。此外,MBI5030改善傳統(tǒng)PWM的功能,將一個(gè)影像導(dǎo)通的時(shí)間分散成數(shù)個(gè)較短的導(dǎo)通時(shí)間,以增加整體的視覺(jué)更新率,最高可達(dá)7680Hz (@ GCLK=8MHz ),能夠讓高速攝影機(jī)在拍攝時(shí)不閃爍地捕捉畫(huà)面。
PI:可靠性和集成度高
該公司IC具有極高的可靠性,其失效率(FIT)約為1。PI的電源IC采用開(kāi)/關(guān)或多模式控制,能提高驅(qū)動(dòng)器的能效水平。此外,PI產(chǎn)品還可減少對(duì)外部元件數(shù)量的要求,從而延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。只使用15個(gè)外部元件完全可以設(shè)計(jì)出350 mA, 12 V的LED驅(qū)動(dòng)器。
ST:太陽(yáng)能LED街燈
ST在今年2月推出了太陽(yáng)能LED(Solar LED)街燈(照片1),并在與合作伙伴共同推廣。整體方案由兩個(gè)模塊構(gòu)成:一個(gè)85W太陽(yáng)能充電器和一個(gè)25W發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器,節(jié)能并提高照明效果。
照片1 ST的太陽(yáng)能街燈方案
NS:RGB背光手機(jī)屏:
NS介紹一個(gè)該公司的新技術(shù)——RGB(紅綠藍(lán))背光驅(qū)動(dòng),代替通常的手機(jī)白光驅(qū)動(dòng)。據(jù)NS公司亞太區(qū)電源產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)黃漢基介紹,白光背光的缺點(diǎn)是沒(méi)法做到純白,這樣圖像顏色就不夠真實(shí)。而RGB的好處是能夠達(dá)到100%色域,可以讓圖像更加的明亮。而且能保證在任何狀況下達(dá)到比較穩(wěn)定的效果。另外,白光驅(qū)動(dòng)還有較大的能耗;但RGB加上高性能濾波器后,能達(dá)到良好的節(jié)能效果。圖1顯示了白光LED背光燈和RGB光LED背光燈顯示器的比較。
圖1 白光LED背光燈和RGB光LED背光燈顯示器的比較
圖2 RGB比白光背光更節(jié)能
道康寧:硅基密封材料
作為L(zhǎng)ED行業(yè)重要的技術(shù)目標(biāo),光輸出率是極為重要的。道康寧認(rèn)為硅基密封材料(照片2)具有巨大的潛力,因?yàn)槠涓叩恼凵渎?>1.5RI),因此對(duì)于推廣LED在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用有著極其重要的作用。
照片2 可塑成型硅膠
硅基密封材料不但能夠保護(hù)LED免受自然環(huán)境的侵害,還能幫助控制光輸出率,并且提高在從低到高工作溫度(-40~150℃)下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。相比環(huán)氧化合物材料,硅基密封材料能承受更高的LED工作溫度。硅基密封材料的優(yōu)點(diǎn)還包括高透光率,與多種材料極佳的粘附性,低吸濕性,同時(shí)還能滿足更加廣泛的硬度和粘性要求。
評(píng)論