LED照明市場引爆對LED驅(qū)動器的巨大需求

　　早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大約每經(jīng)過18到24個月可提升一倍的亮度，這就是著名的Haitz定律(圖1)，也被稱為LED行業(yè)的摩爾定律。根據(jù)這個定律，具有突破性質(zhì)的亮度達100lm/W的LED約在2008~2010年間出現(xiàn)。實際上，2006年6月日本日亞化學公司就推出100lm/W白光LED工程樣品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下最小光通量為100lm的高亮度LED。

圖1 LED大約每經(jīng)過18到24個月提升一倍的亮度

　　研究顯示，僅僅在美國，如果55%的白熾燈和55%的日光燈被LED取代，每年將節(jié)省350億美元電費，減少7.55億噸二氧化碳排放量，LED節(jié)能高效的優(yōu)點以及不斷下降的成本使之逐漸成為白熾燈和熒光燈的替代光源。中國在2006年2月9日公布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020年)》中，把“高效節(jié)能、長壽命的半導體照明產(chǎn)品”列入中長期規(guī)劃第一重點領域的第一優(yōu)先主題，“十一五”規(guī)劃的十大節(jié)能重點工程就是綠色照明，在公用設施、賓館、商廈、寫字樓以及住宅中推廣高效節(jié)能的照明系統(tǒng)，這預示著LED照明市場的龐大市場潛力。據(jù)預測，到2020年，LED照明市場的規(guī)模將達到1550億美元，因此，將產(chǎn)生引爆對LED驅(qū)動器的巨大需求。

　　高效LED驅(qū)動器要求結(jié)合多種驅(qū)動技術(shù)

　　LED照明系統(tǒng)的電/光轉(zhuǎn)換過程從供電部分開始，依次包括電源管理和轉(zhuǎn)換、驅(qū)動器、熱管理、傳感和控制、LED、混光和散射、光學提取等部分，如圖2所示。從中可見，LED照明系統(tǒng)的電/光轉(zhuǎn)換效率，不僅僅取決于LED，而且取決于各個電子和光學部件，因此，提高電/光功率的轉(zhuǎn)換效率是一個巨大的系統(tǒng)工程，需要全行業(yè)的協(xié)調(diào)配合及努力。

圖2 LED照明系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換過程

　　在LED驅(qū)動器領域，Aston科技園負責固體照明研究中心(SSLRC)的業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Geoff Archenhold認為，驅(qū)動LED工作的技術(shù)有許多，其中主要分為：

　　*直流驅(qū)動：單色LED驅(qū)動，但效率最高;

　　*脈寬調(diào)制(PWM)：多色彩LED驅(qū)動;

　　PWM的原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)集成電路內(nèi)部開關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號保持穩(wěn)定。PWM的開關(guān)頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。目前很多產(chǎn)品都應用這種方案。

　　*脈沖幅度調(diào)制(PAM)：多色彩LED驅(qū)動;

　　*脈沖頻率調(diào)制(PFM)：單色LED驅(qū)動;

　　PFM是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率(即開關(guān)管的工作頻率)的方法實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)。它的脈沖寬度固定而內(nèi)部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態(tài)功耗較低場合可采用PFM方式控制。

　　*上述各種方法的組合;

　　他認為，LED及其驅(qū)動器所面臨的挑戰(zhàn)包括標準化的需求、熱管理、提高光線的質(zhì)量和降低成本等四大方面，核心問題是如何提高發(fā)光的效率，將來新智能型LED驅(qū)動器必須具備下列特性：

　　*高效率;

　　*AC/DC轉(zhuǎn)換級和LED驅(qū)動器級的效率要大于85%;

　　*應具備閉環(huán)反饋的控制功能;

　　*能夠監(jiān)測和報告所有的系統(tǒng)參數(shù);

　　*能夠精密地控制電流(<5%的波紋);

　　*自動監(jiān)測和補償Vf下降;

　　*智能電壓控制;

　　*光學反饋控制;

　　*智能電源系統(tǒng)單元(PSU)溫度管理;

　　*對LED安裝夾具的熱管理;

　　Geoff Archenhold指出，在LED與封裝夾具的光效一樣的前提下，整個LED系統(tǒng)的效率主要取決于哪一個LED驅(qū)動器的效率更高，差距可能達到5%。

　　此外，Darnell Group公司的高級分析師Linnea Brush指出，對LED驅(qū)動器的需求數(shù)量應該按照功率來劃分，因為每一種應用都可能采用大量的LED。如圖3所示是對Darnell Group公司全球LED驅(qū)動器出貨量的預測，其中可見<6W的LED驅(qū)動器市場增長最快這一趨勢。

圖3  全球LED驅(qū)動器出貨量的預測

　　高效地實現(xiàn)電/光功率轉(zhuǎn)換是競爭焦點

　　對于LED驅(qū)動器來說，重要的是產(chǎn)生預期LED亮度所需要的LED輸入功率值。正如業(yè)內(nèi)專家指出，以大電流驅(qū)動LED需要采用DC/DC轉(zhuǎn)換器準確地調(diào)節(jié)電流，這個DC/DC驅(qū)動器必須高效率地工作，在驅(qū)動HB LED時尤其如此，否則的話，所有未轉(zhuǎn)化成光的功率都將被轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉。目前，提高效率的主要技術(shù)是提升PWM負載切換速度和降低控制環(huán)路中的電流檢測電阻的數(shù)值。

　　例如，LTC3783采用True Color PWM調(diào)光技術(shù)，能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性，以數(shù)字方式實現(xiàn)3000:1的調(diào)光比。LTC3783是一種電流模式、多種拓撲轉(zhuǎn)換器，具有恒定電流PWM調(diào)光能力，適用于驅(qū)動大功率LED串和LED組。它具有極快的PWM負載切換速度，無瞬態(tài)欠壓或過壓問題，可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉(zhuǎn)換器，以及用作恒流/恒壓調(diào)節(jié)器。無RSENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無需電流檢測電阻，因而提高了效率。

　　另一方面，美信推出的MAX16819/MAX16820 HB LED驅(qū)動器僅需一個外部MOSFET和少量無源器件，可驅(qū)動高達3A電流的LED。每個器件均可以驅(qū)動多達6個串聯(lián)LED，提供從1W到25W以上的輸出功率，效率高達94%。與通常用于驅(qū)動HB LED的通用降壓控制器不同的是，MAX16819/MAX16820驅(qū)動器采用滯回控制。通過這一控制技術(shù)，驅(qū)動器可以保證在PWM調(diào)光期間的快速瞬態(tài)響應和導通/關(guān)斷時間。此外，通過采用真差分檢測技術(shù)可以精確控制LED電流，利用外部PWM信號輕松實現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。PWM調(diào)光采用專用的DIM輸入實現(xiàn)高達5000:1的調(diào)光范圍或極高的調(diào)光開關(guān)頻率(高達20kHz)。

　　此外，在Vishay Intertechnology公司的SiP12510和SiP12511電流模式升壓轉(zhuǎn)換器中，采用了線性和PWM技術(shù)以及低至0.1V反饋電壓的技術(shù)實現(xiàn)了高達90%的轉(zhuǎn)換效率。

　　在歐洲，Integrated System Technologies是領先的LED驅(qū)動器設計制造商，它推出的210瓦3信道iDrive 1000 LED驅(qū)動器集成了擁有專利的PWM驅(qū)動技術(shù)和ColourCool散熱管理系統(tǒng)，其高功率密度和領先的PSU效率的組合，確保具有小尺寸和不需要大塊的散熱片。這個使iDrive系列解決方案為固態(tài)照明制造商提供了一個高質(zhì)量電源解決方案。

　　在LED驅(qū)動器領域，中國半導體公司積極介入。例如，士蘭微電子股份有限公司也推出了一款降壓型、PWM控制、功率開關(guān)內(nèi)置的白光LED驅(qū)動芯片—SB42510。該款芯片是DC/DC功率LED驅(qū)動電路，三種不同的規(guī)格可以滿足1W，3W以及5W的白光LED的驅(qū)動。SB42510采用先進的BCD工藝，輸入電壓可以達到25V，輸出電流可達1A。驅(qū)動單顆LED時，效率可以達到88%;驅(qū)動兩顆及多顆LED時，效率可以達到95%以上。SB42510芯片工作頻率在360kHz左右。此外，英諾華微電子推出的IV0101/IV0102升壓轉(zhuǎn)換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎上改進的PFM/PWM控制技術(shù)，采用是PFM與PWM有機結(jié)合的控制方式，因而具有PFM較快的響應速度和很高的回路增益及PWM大電流輸出特性，可與PWM調(diào)光相配合，成為理想的中小功率LED恒流驅(qū)動芯片。

　　對LED驅(qū)動器的多種需求催生新的設計工具

　　隨著大功率LED照明中的普及應用，功率型LED驅(qū)動器的發(fā)展越來越重要。用城市用電驅(qū)動大功率LED不僅僅需要解決降壓和恒流問題，還要求具備比較高的轉(zhuǎn)換效率、較小的體積、長時間工作、較低的成本并解決抗電磁干擾的問題。目前，對LED驅(qū)動器的正產(chǎn)生下列新的需求：

　　*體積要求小型化

　　隨著LED向普通照明的逐漸普及，大功率LED電源設計的小型化發(fā)展是一個必然的越勢，以幫助制造生產(chǎn)出能夠替代現(xiàn)有照明燈的LED燈，這就對LED驅(qū)動器提出了新的挑戰(zhàn)。

　　*多種保護和診斷功能

　　LED在電流過強時，引起LED光學特性衰減，導致LED的壽命縮短，這就需要驅(qū)動器提供過流保護、過熱保護、短路保護等保護功能，以及LED驅(qū)動器故障診斷功能。

　　*抗電磁干擾

　　目前，因空間和成本限制，市場上有很多LED燈的設計并不符合傳導EMI規(guī)范，目前，美國UL正在著手開發(fā)一系列涉及LED產(chǎn)品的安全評定標準。Power Integrations公司已經(jīng)捷足先登，利用其LinkSwitch-TN功率轉(zhuǎn)換IC中的頻率調(diào)制特性，可以使LED燈滿足EMC規(guī)范的要求。

　　面對諸多的應用需求和眾多的LED驅(qū)動器解決方案，LED驅(qū)動器的選擇將是設計工程師面臨的難題。利用在線仿真工具進行LED驅(qū)動器的選擇和設計將成為重要的發(fā)展趨勢。例如，美國國家半導體公司(NS)在串聯(lián)或并聯(lián)、升壓或降壓轉(zhuǎn)換器上都有一系列的整體解決方案，通過與大功率LED制造商—如OSRAM、Phlips Lumiled、日亞、Avago—合作，NS提供在線開發(fā)工具LED WEBENCH，從輸入設計信息開始，到選擇LED驅(qū)動程序、建立BOM表、最優(yōu)化效率、在線模擬驗證，乃至于產(chǎn)出參考設計等，為工程師在開發(fā)過程中提供了最有效的工具。

　　結(jié)語

　　目前，LED照明行業(yè)已經(jīng)開始大規(guī)模進入路燈照明領域，在9月初舉行的中國(深圳)國際光電博覽會上可以驗證這一點。在這次博覽會的高層論壇上，南京漢德森半導體照明有限公司梁秉文宣稱，“LED照明是永遠的朝陽產(chǎn)業(yè)”，因此，可以預期LED驅(qū)動器技術(shù)有望伴隨著LED照明產(chǎn)業(yè)興起而為半導體行業(yè)的發(fā)展注入巨大動力。

　　參考文獻：

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　　5. 2007中國光電產(chǎn)業(yè)高層論壇會議資料全集, P114.

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