淺析LED及驅(qū)動IC、材料的技術(shù)市場

LED應(yīng)用像早晨太陽

如有說在低迷的半導(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，可謂將中國的LED顯示技術(shù)劃下一個(gè)完美的驚嘆號。

最近幾年是LED發(fā)展的生長期，主要有幾大類應(yīng)用：1，LED照明應(yīng)用正如早晨六七點(diǎn)鐘的太陽徐徐升起。LED燈具有綠色、節(jié)能、長壽命的特點(diǎn)，戶外照明的動力來源于政府的節(jié)能及環(huán)保政策，廣告燈飾來自企業(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，美國的Cree及歐洲的Philip和歐司朗[1]。LED產(chǎn)業(yè)也不知不覺間進(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，我國知名的LED顯示屏制造商北京利亞德(Leyard) 為北京奧運(yùn)會開幕式的畫卷搭配了臺灣省聚積科技57萬塊驅(qū)動芯片——MBI5030，韓國Seoul半導(dǎo)體、Diodes Zetex(注：Diodes收購了Zetex)、Leadis等公司也日益壯大。

　　圖1　照片來源：北京利亞德

　　“中國的LED市場目前看來還是比較分散，主要集中在標(biāo)識、信號、移動以及照明應(yīng)用方面。中國的LED市場份額還比較小，但是在過去幾年保持了非?？斓脑鲩L速度。”道康寧電子產(chǎn)品工業(yè)部光學(xué)材料全球市場總監(jiān)Billy Han說，“LED行業(yè)的發(fā)展相當(dāng)迅速，特別是在照明領(lǐng)域，而成本的競爭力是非常重要的。鑒于此，預(yù)計(jì)中國的LED行業(yè)將會繼續(xù)保持高于行業(yè)平均的增長速度成長。”

　　照片：道康寧電子產(chǎn)品工業(yè)部光學(xué)材料全球市場總監(jiān)Billy Han

　　照明的四個(gè)驅(qū)動力

　　@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ED的省電效能是白熾燈的20倍，熒光燈的5倍。“傳統(tǒng)的鎢絲燈、高放電電流燈泡(HID)和冷陰極螢光燈(CCFL)將會被淘汰，取而代之的是能耗較低、公害較少的LED燈?！泵绹鴩野雽?dǎo)體(NS)中國區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理何賢斌指出。因?yàn)長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)?！薄?/P>

　　照片 NS中國區(qū)業(yè)務(wù)總經(jīng)理何賢斌

　　美國能源部指出：照明所消耗的能量占美國年發(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，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，特別是在中國市場?！盌iodes Zetex公司亞太區(qū)技術(shù)市場總監(jiān)梁后權(quán)說。Intersil工業(yè)和通信電源部市場行銷經(jīng)理Robert L.Lucas說，目前照明用單LED每個(gè)2美元，相比之下，LED的驅(qū)動價(jià)格倒顯得不貴。如果有機(jī)會使LED的價(jià)格大幅下調(diào)的話，LED普及問題可以迎刃而解。Power Integrations公司(簡稱PI)對此也有同感，市場營銷副總裁Doug Bailey認(rèn)為普通LED照明市場所面臨的主要障礙是，還無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)相比具有競爭優(yōu)勢。如果你的產(chǎn)品具有非常長的使用壽命(35～50～100K小時(shí))并采用高效驅(qū)動器的話，那么問題就解決。效率高出10%、使用壽命為50K小時(shí)的10W LED驅(qū)動器可以節(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)勢凸現(xiàn)出來。

　　照片 Diodes Zetex公司亞太區(qū)技術(shù)市場總監(jiān)梁后權(quán)

　　Intersil工業(yè)和通信電源部市場行銷經(jīng)理Robert L.Lucas

　　PI市場營銷副總裁Doug Bailey

　　不過，“LED照明的成本下降得非?？?。”凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場主管Tony Armstrong舉例說，“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，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，具有耗電省、壽命長、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)用場景的需求，即便是在太陽光直射下，屏幕也可以調(diào)整自身亮度來適應(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顯示屏的成長潛力不可限量。

　　高亮LED及驅(qū)動技術(shù)動向

　　高亮度LED(HB LED)成為2009年的熱門話題，近來在各個(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5年的成長前景相當(dāng)樂觀?！拔覀児烙?jì)年均復(fù)合增長率為20%?！钡揽祵幍腂illy說道。

　　高亮度(HB)LED的最新趨勢是大功率、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)市場總監(jiān)梁后權(quán)解釋說，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，不過高亮度LED應(yīng)用擁有更好色溫及更長使用壽命的優(yōu)點(diǎn)，所以逐漸在中國普及起來。

　　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。燈泡也會產(chǎn)生大量熱能，但這并不會構(gòu)成任何問題。但是，高亮度LED產(chǎn)生過多熱度時(shí)，熱能需要在最短時(shí)間內(nèi)散去，以避免對LED造成損害。因此，從設(shè)計(jì)的角度來講，系統(tǒng)的熱量問題是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。梁后權(quán)說:“Diodes Zetex的高亮度LED驅(qū)動器的操作溫度可維持于世界級的125℃。憑藉此優(yōu)勢，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的使用壽命長達(dá)5萬小時(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)對系統(tǒng)的可視功能發(fā)揮著重大的作用。市場需要的LED驅(qū)動器需擁有細(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)會造成很多問題，例如過熱、縮短使用壽命、降低可靠性，更嚴(yán)重的問題是周邊溫度上升，使高亮度LED的光衰弱加深。因此，這為LED 驅(qū)動器廠商提出了挑戰(zhàn)。Diodes Zetex稱能夠幫助設(shè)計(jì)人員克服這些問題，包括提供評估板、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)動器。因?yàn)楦呒塋ED燈具設(shè)備需要通過控制LED的電流和實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的智能驅(qū)動電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)長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困擾?！癈ypress可以提供特殊的方案幫助解決這些問題，”Cypress公關(guān)總監(jiān)Donald Parkman說，“使用我們的軟件設(shè)計(jì)人員可以輕松編寫程序，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LED燈具的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的氛圍。華潤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，很多驅(qū)動器廠家沒有考慮做DC LED。對此，Intersil的Robert解釋說，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)動器方案，好處是AC和DC隔離開來，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 華潤矽威的高工顏重光

　　*照明用單LED驅(qū)動器將保持增長勢頭

　　由于LED驅(qū)動器需要集成到單個(gè)燈體中，PI公司認(rèn)為對LED驅(qū)動器的主要要求如下：

　　* 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)保持增長勢頭(使得LED燈更難滿足高能效要求)。

　　不過，中國雖然目前的LED設(shè)計(jì)活動非?；钴S。但大部分的設(shè)計(jì)活動是針對歐美市場的，并非針對本國市場。

　　部分LED驅(qū)動器及調(diào)光方案

　　安森美：多樣的LED驅(qū)動器及調(diào)光芯片

　　包括多樣化的元件驅(qū)動LED及調(diào)光。“每瓦流明數(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)動架構(gòu)是驅(qū)動LED的關(guān)鍵。”安森美半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理部市場推廣經(jīng)理蔣家亮說，“此外，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固的LED驅(qū)動產(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、散熱和光學(xué)等多種因素。”

　　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，不斷推出領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品，例如最新的CAT3224驅(qū)動器，是業(yè)界首款4A單芯片LED驅(qū)動器，為基于超級電容的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)動電源解決方案產(chǎn)品系列，滿足從高壓離線型AC-DC開關(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)動應(yīng)用的廣泛需求。

　　例如離線式PWM開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1014/1028，含集成的700V高壓MOSFET，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內(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?；蛱娲鶨27/GU10燈。

　　照片 安森美亞太區(qū)電源管理部市場推廣經(jīng)理蔣家亮

　　華潤矽威：將推出E27燈方案

　　華潤矽威在2006年已量產(chǎn)LED驅(qū)動IC。PT4115、PT4107已被國內(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、太陽能LED燈等。

　　聚積科技：首款內(nèi)建16位PWM的LED驅(qū)動器

　　MBI5030號稱是業(yè)內(nèi)第一款內(nèi)建16位元PWM的智能型LED驅(qū)動芯片，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/關(guān)或多模式控制，能提高驅(qū)動器的能效水平。此外，PI產(chǎn)品還可減少對外部元件數(shù)量的要求，從而延長驅(qū)動器的平均無故障時(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)動器。

　　ST：太陽能LED街燈

　　ST在今年2月推出了太陽能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太陽能充電器和一個(gè)25W發(fā)光二極管驅(qū)動器，節(jié)能并提高照明效果。

　　照片1 ST的太陽能街燈方案

　　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，代替通常的手機(jī)白光驅(qū)動。據(jù)NS公司亞太區(qū)電源產(chǎn)品市場總監(jiān)黃漢基介紹，白光背光的缺點(diǎn)是沒法做到純白，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LED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。