背光及照明用LED驅動IC技術市場分析

摘要：從技術和市場經濟的角度對LED驅動IC的需求迅速增長作出分析，消費電子用LED驅動器的技術和市場比較成熟，家庭照明用LED驅動器還有技術瓶頸尚待突破。
關鍵詞：LED驅動器；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、學習機、筆記本電腦等的手持產品的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；在汽車的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈；以及將在家庭照明都會得到海量的應用。


圖1   手機背光LED驅動芯片的演變

　　目前手機彩屏背光應用占LED驅動IC總出貨比重的60%，除了按鍵與彩屏背光應用外，由于照相手機的普及，搭配LED省電與小型化的特性，手機相機閃光燈應用比重逐日提高，將占整體手機應用的35-40%。全球手機產量由2006年的8億臺增長到2007年的11億臺，增幅達40%，2008年預計將生產15億臺。2007年中國手機出貨量將增長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年手機產品應用的LED驅動IC達6億顆規(guī)模。預估LED驅動IC在消費性電子產品市場將繼續(xù)成倍增長。

　　7-19英寸的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降到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年筆記本電腦的預計產量為8500萬臺，采用LED作為背光的筆記本電腦將達到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背光的趨勢已經十分清晰。2009年LED驅動IC出貨量將達9.1億顆，年復合成長率將達32%。

LED驅動IC目前市場需求

　　LED驅動IC目前市場需求按應用來分基本有三大類，一是用于消費性電子產品的，其應用特點是以電池為能源，一般為4.2-8.4V，因此低電壓、小電流的LED驅動器是目前量大面廣的產品；二是用于汽車照明產品，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驅動IC；三是建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC能直接變換成DC的LED驅動IC，主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。因而不同應用的LED驅動IC是完全不同的。


圖2  手機LCD背光

　　消費性電子產品的LED驅動器擁有比較成熟的技術、產品和相對成熟的市場。2007年全球手機市場使用LED驅動IC達6億顆，2008年將繼續(xù)增長。


圖3  LCD電子燈箱

　　汽車照明產品使用的LED等的數(shù)量較多，大多是串、并聯(lián)驅動，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。

　　建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC能直接變換成DC恒流源的LED驅動IC，目前還不能提供單個SOC的集成電路產品，大多數(shù)是模塊電路。建筑裝飾照明在國內各大城市應用已十分廣泛，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照明燈技術和生產成本離大批量生產還有一定的距離，尚需努力。
　　
LCD背光用LED工作原理

　　要設計LED驅動的應用電路，首先要了解LED的工作原理。LED工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關的是顏色、波長、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。VF前降電壓是為LED發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)。IF前降電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過的電流成正比例。LED VF標稱電壓：3.4V±0.2。LED IF工作電流按應用需要選用，LED產品的IF從5-500mA。以手機為例，手機鍵盤背光使用電流為5-10mA、LCD背光使用電流為15-20mA、相機閃光燈使用電流為100-500mA它們的IF都不相同，各擋LED不能混用。

消費性電子產品常用LED驅動IC

　　消費性電子產品LCD屏的背光一般是2-8顆LED燈，并聯(lián)或單顆供電的應用居多。自2000年來，消費性電子產品常用LED驅動IC有DC/DC開關穩(wěn)壓器(Boost)、電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant)和低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。


表1 移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇

　　DC/DC開關穩(wěn)壓器是用電感器來儲存電能的，而電感器容易發(fā)射開關頻率，易對射頻(RF)發(fā)生新的干擾，因此在手機產品中用得較少。電荷泵也是一種開關穩(wěn)壓器，但它是用電容器作電能儲能，因而不會發(fā)射開關頻率，在手機產品中占了最大的份額。LED發(fā)光要求IF恒流，恒流源就是針對這個市場而特別設計、生產的，恒流源的價格是電荷泵的50%，因而近年來在普及型手機產品中也占有一定的份額。普及型手機產品苛求成本下降，手機背光驅動單元尚可榨油的就是降低LED驅動IC的成本，大多數(shù)手機的關機電壓設計在電池電壓降至3.3V時，因此恒流源就設計成在4.2V-3.3V時恒流輸出20-30mA，3.3V以下輸出電流急降。電荷泵的賣點是效率(η)，但大多數(shù)電荷泵在4.2V-3.3V時其轉換效率并不高，當電池電壓降到3.0V-2.5V時它的轉換效率能達85-90%，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驅動器。就目前手機用LED驅動IC而言，一個DC/DC(Boost)的售價是USD0.12-0.15，一個電荷泵的售價是USD0.20-0.25，一個恒流源的售價是0.09-0.12，一個LDO只幾分美金，對于降低手機背光驅動單元成本，有一定的空間，今年來不少普及型手機都已選用。手機背光LED驅動芯片的演變如圖1所示。手機LCD背光如圖2。


圖4  照明用白光LED管芯

　　手機除了彩屏背光需要LED驅動IC，手機的鍵盤背光，手機相機的閃光燈也需要LED驅動IC。其特點是低電壓、小電流，因為是以電池為能源的。


圖5  家用LED照明燈樣品

　　沒有RF部分的消費電子產品的LCD屏背光驅動可以選用DC/DC開關穩(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。

移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇

　　移動手持顯示產品背光LED驅動IC的選擇，按LCD的面積來設定需要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驅動IC；1.8英寸~3.5英寸手機用LCM其LED點光源是2-4顆LED；3.5英寸~8.0英寸 MP3/MP4/PDP/GPS/PND/DPF用LCM其LED點光源是6-28顆LED；12.1英寸~15.4英寸筆記本電腦用LCM其LED點光源是48-60-72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 Boost；沒有RF的消費電子產品，大多選用DC/DC Boost，因其能輸出較高電壓，和有較高效率；常用LED驅動IC有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開關穩(wěn)壓器( DC/DC Boost )。背光LED驅動IC的選擇如表1。

家庭用LED照明燈驅動器

　　家庭用的照明燈目前還沒有成熟的產品，家庭用的照明燈的功率要求10W以上。目前市售的1-5W 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?，F(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，已經大批量生產投放市場的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達到4400lm。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的大批量生產給最終生產照明用LED燈創(chuàng)造了必須的條件和物質基礎。

　　高亮度和大功率LED照明燈進入家庭用在應用技術上還有技術瓶頸亟待解決，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鍵問題。家庭照明用LED驅動IC技術還在攻堅中，驅動芯片需要采用700VBCD高壓工藝；芯片內的MOSFET要做好熱量管理，要考慮驅動IC的散熱設計；AC到DC恒流源各功能芯片整合在一個封裝內的SOC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。


圖6  PT4115應用電原理圖

　　開關電源式恒流源可能是AC到DC恒流源比較有效的方法之一。開關電源的效率高達65%-85%。電源效率的提高使設備制造商得以將待機電流降低到Energy Star(能源之星)和Blue Angel(藍天使)認證所需的水平。


圖7 MR16射燈新恒流源板實物

　　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業(yè)化生產的技術成熟和成本的進一步下降。熒光節(jié)能燈從產品誕生到進入千家萬戶百姓家庭普及也差不多經歷了十年的時間。家庭用照明燈的發(fā)光效率及平均壽命比較如表2。


表2   家用照明燈發(fā)光效率及平均壽命的比較

　　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制造技術突飛猛進，今天已經能大批量生產了，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、經濟而有效地驅動大功率照明燈用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。

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