背光及照明用LED驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)市場(chǎng)分析

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(huì)得到海量的應(yīng)用。


圖1   手機(jī)背光LED驅(qū)動(dòng)芯片的演變

　　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35-40%。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(guó)手機(jī)出貨量將增長(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)將繼續(xù)成倍增長(zhǎng)。

　　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(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(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)計(jì)產(chǎn)量為8500萬(wàn)臺(tái)，采用LED作為背光的筆記本電腦將達(dá)到680萬(wàn)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%。

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(lái)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4.2-8.4V，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(lái)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能直接變換成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。


圖2  手機(jī)LCD背光

　　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)。


圖3  LCD電子燈箱

　　汽車照明產(chǎn)品使用的LED等的數(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(lái)說(shuō)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(lè)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(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(guó)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。
　　
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VF、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。VF前降電壓是為L(zhǎng)ED發(fā)光建立一個(gè)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(guò)的電流成正比例。LED VF標(biāo)稱電壓：3.4V±0.2。LED IF工作電流按應(yīng)用需要選用，LED產(chǎn)品的IF從5-500mA。以手機(jī)為例，手機(jī)鍵盤背光使用電流為5-10mA、LCD背光使用電流為15-20mA、相機(jī)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(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2-8顆LED燈，并聯(lián)或單顆供電的應(yīng)用居多。自2000年來(lái)，消費(fèi)性電子產(chǎn)品常用LED驅(qū)動(dòng)IC有DC/DC開(kāi)關(guān)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(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光LED驅(qū)動(dòng)IC的選擇

　　DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是用電感器來(lái)儲(chǔ)存電能的，而電感器容易發(fā)射開(kāi)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(kāi)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(kāi)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IF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(lái)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4.2V-3.3V時(shí)恒流輸出20-30mA，3.3V以下輸出電流急降。電荷泵的賣點(diǎn)是效率(η)，但大多數(shù)電荷泵在4.2V-3.3V時(shí)其轉(zhuǎn)換效率并不高，當(dāng)電池電壓降到3.0V-2.5V時(shí)它的轉(zhuǎn)換效率能達(dá)85-90%，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(guò)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(Boost)的售價(jià)是USD0.12-0.15，一個(gè)電荷泵的售價(jià)是USD0.20-0.25，一個(gè)恒流源的售價(jià)是0.09-0.12，一個(gè)LDO只幾分美金，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(lái)不少普及型手機(jī)都已選用。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4  照明用白光LED管芯

　　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)槭且噪姵貫槟茉吹摹?br />

圖5  家用LED照明燈樣品

　　沒(méi)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(kāi)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。

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)品背光LED驅(qū)動(dòng)IC的選擇，按LCD的面積來(lái)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(lái)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2-4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6-28顆LED；12.1英寸~15.4英寸筆記本電腦用LCM其LED點(diǎn)光源是48-60-72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 Boost；沒(méi)有RF的消費(fèi)電子產(chǎn)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(qū)動(dòng)IC有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器( DC/DC Boost )。背光LED驅(qū)動(dòng)IC的選擇如表1。

家庭用LED照明燈驅(qū)動(dòng)器

　　家庭用的照明燈目前還沒(méi)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1-5W 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)的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達(dá)到4400lm。大功率照明用LED其封裝從成品來(lái)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)。

　　高亮度和大功率LED照明燈進(jìn)入家庭用在應(yīng)用技術(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)鍵問(wèn)題。家庭照明用LED驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)還在攻堅(jiān)中，驅(qū)動(dòng)芯片需要采用700VBCD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)封裝內(nèi)的SOC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。


圖6  PT4115應(yīng)用電原理圖

　　開(kāi)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(kāi)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Energy Star(能源之星)和Blue Angel(藍(lán)天使)認(rèn)證所需的水平。


圖7 MR16射燈新恒流源板實(shí)物

　　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(wàn)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。


表2   家用照明燈發(fā)光效率及平均壽命的比較

　　歐美等國(guó)在2007年2月和3月分別通過(guò)政府決議，在未來(lái)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(jìn)入千家萬(wàn)戶揭開(kāi)序幕，其市場(chǎng)需求量將是一天文數(shù)字。集成電路和燈具廠商紛紛開(kāi)始行動(dòng)，奔向這個(gè)巨大市場(chǎng)。

　　大功率照明燈用LED制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，今天已經(jīng)能大批量生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)而有效地驅(qū)動(dòng)大功率照明燈用LED的芯片還需要更多的集成電路開(kāi)發(fā)廠商投入，迎合未來(lái)市場(chǎng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是贏得高利潤(rùn)回報(bào)的先決條件，抓住機(jī)遇、發(fā)揮創(chuàng)造力、配合必要的財(cái)力和物力是企業(yè)成功的理念。

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