背光及照明用LED驱动IC技术市场分析

摘要：从技术和市场经济的角度对LED驱动IC的需求迅速增长作出分析，消费电子用LED驱动器的技术和市场比较成熟，家庭照明用LED驱动器还有技术瓶颈尚待突破。
关键词：LED驱动器；LED灯；LCD背光

LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在手机、MP3、MP4、PMP、DSC(数码相机)、PDA、GPS、PND、游戏机、学习机、笔记本电脑等的手持产品的LCD背光；LED手电筒、矿灯便携照明；在建筑照明、装饰照明、标识牌照明；在汽车的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯；以及将在家庭照明都会得到海量的应用。


图1   手机背光LED驱动芯片的演变

目前手机彩屏背光应用占LED驱动IC总出货比重的60%，除了按键与彩屏背光应用外，由于照相手机的普及，搭配LED省电与小型化的特性，手机相机闪光灯应用比重逐日提高，将占整体手机应用的35-40%。全球手机产量由2006年的8亿台增长到2007年的11亿台，增幅达40%，2008年预计将生产15亿台。2007年中国手机出货量将增长21.9%，达5.58亿部 ，占据全球市场的一半左右 。按80%手机采用彩屏计算，2007年手机产品应用的LED驱动IC达6亿颗规模。预估LED驱动IC在消费性电子产品市场将继续成倍增长。

7-19英寸的LCD屏原用CCFL作为背光，而现在也正在逐步地被LED所蚕食。特别是在欧盟实施RoHS的法令以后，含汞的CCFL被禁止，否则要付10美元的有害物质处理费，这将加快采用LED背光的步伐。在笔记本电脑等更大量产品的液晶屏中，采用LED背光也已成为一种趋势，因为它不但可以使屏幕的厚度减半(从9mm降到4.5mm)，重量减轻26%，而且还可以节省50%的耗电，其唯一的不足是目前成本比CCFL高2.38美元，因能减轻重量和节电预计用户还是可以接受的。据估计，2007年有8%的笔记本电脑采用LED作为背光，而2007年笔记本电脑的预计产量为8500万台，采用LED作为背光的笔记本电脑将达到680万台，这一数据还有望突破。LCD-TV和笔记本电脑可望采用LED取代CCFL背光的趋势已经十分清晰。2009年LED驱动IC出货量将达9.1亿颗，年复合成长率将达32%。

LED驱动IC目前市场需求

LED驱动IC目前市场需求按应用来分基本有三大类，一是用于消费性电子产品的，其应用特点是以电池为能源，一般为4.2-8.4V，因此低电压、小电流的LED驱动器是目前量大面广的产品；二是用于汽车照明产品，因其电源来自汽车蓄电池，一般是48V，所以需要较高电压降压的LED驱动IC；三是建筑装饰照明和家庭照明，则需要将AC能直接变换成DC的LED驱动IC，主要功能是将交流电压转换为恒流电源，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。因而不同应用的LED驱动IC是完全不同的。


图2  手机LCD背光

消费性电子产品的LED驱动器拥有比较成熟的技术、产品和相对成熟的市场。2007年全球手机市场使用LED驱动IC达6亿颗，2008年将继续增长。


图3  LCD电子灯箱

汽车照明产品使用的LED等的数量较多，大多是串、并联驱动，需要较高的电压，对于取自48V汽车蓄电池的电源来说是十分方便的。目前能耐60V高压的LED驱动器新品推出已较多。因而在汽车前装市场直接采用LED的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯的市场十分看好和乐观。

建筑装饰照明和家庭照明，则需要将AC能直接变换成DC恒流源的LED驱动IC，目前还不能提供单个SOC的集成电路产品，大多数是模块电路。建筑装饰照明在国内各大城市应用已十分广泛，节能效果显著。社会对家庭用LED照明灯需要量将是一个天文数字，但目前的家庭用LED照明灯技术和生产成本离大批量生产还有一定的距离，尚需努力。
　　
LCD背光用LED工作原理

要设计LED驱动的应用电路，首先要了解LED的工作原理。LED工作的主要参数是VF、IF，其它相关的是颜色、波长、发光亮度、发光角度、效率、功耗。VF前降电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。IF前降电流是促使LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。LED VF标称电压：3.4V±0.2。LED IF工作电流按应用需要选用，LED产品的IF从5-500mA。以手机为例，手机键盘背光使用电流为5-10mA、LCD背光使用电流为15-20mA、相机闪光灯使用电流为100-500mA它们的IF都不相同，各挡LED不能混用。

消费性电子产品常用LED驱动IC

消费性电子产品LCD屏的背光一般是2-8颗LED灯，并联或单颗供电的应用居多。自2000年来，消费性电子产品常用LED驱动IC有DC/DC开关稳压器(Boost)、电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant)和低压差稳压器(LDO)。


表1 移动手持显示产品背光LED驱动IC的选择

DC/DC开关稳压器是用电感器来储存电能的，而电感器容易发射开关频率，易对射频(RF)发生新的干扰，因此在手机产品中用得较少。电荷泵也是一种开关稳压器，但它是用电容器作电能储能，因而不会发射开关频率，在手机产品中占了最大的份额。LED发光要求IF恒流，恒流源就是针对这个市场而特别设计、生产的，恒流源的价格是电荷泵的50%，因而近年来在普及型手机产品中也占有一定的份额。普及型手机产品苛求成本下降，手机背光驱动单元尚可榨油的就是降低LED驱动IC的成本，大多数手机的关机电压设计在电池电压降至3.3V时，因此恒流源就设计成在4.2V-3.3V时恒流输出20-30mA，3.3V以下输出电流急降。电荷泵的卖点是效率(η)，但大多数电荷泵在4.2V-3.3V时其转换效率并不高，当电池电压降到3.0V-2.5V时它的转换效率能达85-90%，可惜在目前大多数的手机方案中并不能发挥其优势。LDO是一个性能很好的低压差稳压器，输出电压稳定，当负载不变时，它流过负载的电流也恒定，基于此原理LDO也是一个很好的LED驱动器。就目前手机用LED驱动IC而言，一个DC/DC(Boost)的售价是USD0.12-0.15，一个电荷泵的售价是USD0.20-0.25，一个恒流源的售价是0.09-0.12，一个LDO只几分美金，对于降低手机背光驱动单元成本，有一定的空间，今年来不少普及型手机都已选用。手机背光LED驱动芯片的演变如图1所示。手机LCD背光如图2。


图4  照明用白光LED管芯

手机除了彩屏背光需要LED驱动IC，手机的键盘背光，手机相机的闪光灯也需要LED驱动IC。其特点是低电压、小电流，因为是以电池为能源的。


图5  家用LED照明灯样品

　　没有RF部分的消费电子产品的LCD屏背光驱动可以选用DC/DC开关稳压器，LED一般是N串联+N并联使用，工作电压略高，工作电流较小。多个LED的串并联可作较大的LCD屏背光源，如图3 LCD电子灯箱。此外，还有如LED手电筒。

移动手持显示产品背光LED驱动IC的选择

移动手持显示产品背光LED驱动IC的选择，按LCD的面积来设定需要LED点光源的个数；按LED的N串N并的点亮方式来选择不同工作原理、不同输出能力的LED驱动IC；1.8英寸~3.5英寸手机用LCM其LED点光源是2-4颗LED；3.5英寸~8.0英寸 MP3/MP4/PDP/GPS/PND/DPF用LCM其LED点光源是6-28颗LED；12.1英寸~15.4英寸笔记本电脑用LCM其LED点光源是48-60-72颗LED；手机有RF怕干扰，因此大多数不选用以电感器为电能储存器的DC/DC Boost；没有RF的消费电子产品，大多选用DC/DC Boost，因其能输出较高电压，和有较高效率；常用LED驱动IC有电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、电感升压开关稳压器( DC/DC Boost )。背光LED驱动IC的选择如表1。

家庭用LED照明灯驱动器

家庭用的照明灯目前还没有成熟的产品，家庭用的照明灯的功率要求10W以上。目前市售的1-5W LED灯在家庭只能作为壁灯和辅助照明用，因为他们的亮度还达不到白炽灯、荧光节能灯的要求，还不能作为书写阅读照明用。现在的高亮度LED灯价格十分昂贵，非一般老百姓能享用的。

白光LED技术突飞猛进，用作照明灯源的单颗芯片的LED，其功率越做越大，已经大批量生产投放市场的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，发光亮度最大已达到4400lm。大功率照明用LED其封装从成品来看是单颗芯片的，其实是用N颗LED管芯封装在一个单位里的(如图4)。它们的排列组合是串并联，它们是N个串联，再N个并联，然后由二点联接电源。大功率照明用LED的大批量生产给最终生产照明用LED灯创造了必须的条件和物质基础。

高亮度和大功率LED照明灯进入家庭用在应用技术上还有技术瓶颈亟待解决，主要是芯片散热(热量管理)、发光亮度(流明)和EMI/EMC，成本下降也是一个关键问题。家庭照明用LED驱动IC技术还在攻坚中，驱动芯片需要采用700VBCD高压工艺；芯片内的MOSFET要做好热量管理，要考虑驱动IC的散热设计；AC到DC恒流源各功能芯片整合在一个封装内的SOC需要创新一个新的电源芯片模式。家用LED照明灯样品如图5。


图6  PT4115应用电原理图

开关电源式恒流源可能是AC到DC恒流源比较有效的方法之一。开关电源的效率高达65%-85%。电源效率的提高使设备制造商得以将待机电流降低到Energy Star(能源之星)和Blue Angel(蓝天使)认证所需的水平。


图7 MR16射灯新恒流源板实物

家庭用的照明灯采用白光LED是科技发展的必然趋势。家庭用白光LED照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了十年的时间。家庭用照明灯的发光效率及平均寿命比较如表2。


表2   家用照明灯发光效率及平均寿命的比较

欧美等国在2007年2月和3月分别通过政府决议，在未来二年逐步取消白炽灯，提倡使用节能灯和LED照明灯。由此，LED照明灯进入千家万户揭开序幕，其市场需求量将是一天文数字。集成电路和灯具厂商纷纷开始行动，奔向这个巨大市场。

大功率照明灯用LED制造技术突飞猛进，今天已经能大批量生产了，而且在向增加LED发光效率(lm/W)方面努力；从AC到DC恒流源输出、经济而有效地驱动大功率照明灯用LED的芯片还需要更多的集成电路开发厂商投入，迎合未来市场的创新设计是赢得高利润回报的先决条件，抓住机遇、发挥创造力、配合必要的财力和物力是企业成功的理念。

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