淺析LED及驅動(dòng)IC、材料的技術(shù)市場(chǎng)

LED應用像早晨太陽(yáng)

如有說(shuō)在低迷的半導體產(chǎn)業(yè)中還有一些亮點(diǎn)，LED光源及其驅動(dòng)器可以算做一個(gè)了。尤其在2008年的北京奧運中，光彩奪目的LED燈光秀讓全世界都嘆為觀(guān)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(cháng)期，主要有幾大類(lèi)應用：1，LED照明應用正如早晨六七點(diǎn)鐘的太陽(yáng)徐徐升起。LED燈具有綠色、節能、長(cháng)壽命的特點(diǎn)，戶(hù)外照明的動(dòng)力來(lái)源于政府的節能及環(huán)保政策，廣告燈飾來(lái)自企業(yè)買(mǎi)單，因此需求數量龐大，發(fā)展可觀(guān);室內照明作為千家萬(wàn)戶(hù)都需要的海量產(chǎn)品，隨著(zhù)LED成本的進(jìn)一步降低，發(fā)展潛力巨大。2，LED背光應用涉及到人們日常應用的手機、MP3、NB(筆記本電腦)等便攜式產(chǎn)品，到電視等大型消費電子的LCD屏。3，LED汽車(chē)照明，主要是車(chē)前后燈應用，尤其究高能效汽車(chē)的興起，使之升溫。除此之外，還有工業(yè)照明、照相機閃光燈等特殊應用。

因此，隸屬半導體產(chǎn)業(yè)的LED光源及其驅動(dòng)IC技術(shù)發(fā)展迅猛。目前全球白光LED光源專(zhuān)利主要掌握廠(chǎng)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(jué)間進(jìn)入了我們的視野，成就了很多新廠(chǎng)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顯示屏供應商，我國知名的LED顯示屏制造商北京利亞德(Leyard) 為北京奧運會(huì )開(kāi)幕式的畫(huà)卷搭配了臺灣省聚積科技57萬(wàn)塊驅動(dòng)芯片——MBI5030，韓國Seoul半導體、Diodes Zetex(注：Diodes收購了Zetex)、Leadis等公司也日益壯大。

　　圖1　照片來(lái)源：北京利亞德

　　“中國的LED市場(chǎng)目前看來(lái)還是比較分散，主要集中在標識、信號、移動(dòng)以及照明應用方面。中國的LED市場(chǎng)份額還比較小，但是在過(guò)去幾年保持了非?？斓脑鲩L(cháng)速度?！钡揽祵庪娮赢a(chǎn)品工業(yè)部光學(xué)材料全球市場(chǎng)總監Billy Han說(shuō)，“LED行業(yè)的發(fā)展相當迅速，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，預計中國的LED行業(yè)將會(huì )繼續保持高于行業(yè)平均的增長(cháng)速度成長(cháng)?！?/P>

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

　　照明的四個(gè)驅動(dòng)力

　　@環(huán)保節能

　　LED最主要的應用還有路燈和普通的照明燈。因為L(cháng)ED的省電效能是白熾燈的20倍，熒光燈的5倍?！皞鹘y的鎢絲燈、高放電電流燈泡(HID)和冷陰極螢光燈(CCFL)將會(huì )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w(NS)中國區業(yè)務(wù)總經(jīng)理何賢斌指出。因為L(cháng)ED不含任何危險材料，不像CFL在其燈管內部存在有毒的汞蒸氣，可謂“綠色環(huán)?！?。

　　照片 NS中國區業(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的節能作用頗具意義。LED照明的廣泛使用將使此項能耗下降50%。如果客觀(guān)地考慮到這一點(diǎn)，那么到2027年，LED照明所實(shí)現的年度能耗減少量將相當于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)現了具有重要里程碑意義的100流明/瓦，有的制造商甚至聲稱(chēng)其LED光輸出達到了120流明/瓦。這意味著(zhù)，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)。據預測，到2012年，LED的光輸出將達到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(chǎng)?！盌iodes Zetex公司亞太區技術(shù)市場(chǎng)總監梁后權說(shuō)。Intersil工業(yè)和通信電源部市場(chǎng)行銷(xiāo)經(jīng)理Robert L.Lucas說(shuō)，目前照明用單LED每個(gè)2美元，相比之下，LED的驅動(dòng)價(jià)格倒顯得不貴。如果有機會(huì )使LED的價(jià)格大幅下調的話(huà)，LED普及問(wèn)題可以迎刃而解。Power Integrations公司(簡(jiǎn)稱(chēng)PI)對此也有同感，市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Doug Bailey認為普通LED照明市場(chǎng)所面臨的主要障礙是，還無(wú)法證明其整體擁有成本(TCO)與其他照明產(chǎn)品(白熾燈、鹵素燈、LFL/CFL等)相比具有競爭優(yōu)勢。如果你的產(chǎn)品具有非常長(cháng)的使用壽命(35～50～100K小時(shí))并采用高效驅動(dòng)器的話(huà)，那么問(wèn)題就解決。效率高出10%、使用壽命為50K小時(shí)的10W LED驅動(dòng)器可以節省10美元的電費。節省的這筆費用可以降低TCO，從而使LED燈的優(yōu)勢凸現出來(lái)。

　　照片 Diodes Zetex公司亞太區技術(shù)市場(chǎng)總監梁后權

　　Intersil工業(yè)和通信電源部市場(chǎng)行銷(xiāo)經(jīng)理Robert L.Lucas

　　PI市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Doug Bailey

　　不過(guò)，“LED照明的成本下降得非?？??！绷枇柼毓倦娫串a(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)主管Tony Armstrong舉例說(shuō)，“Polybrite公司 (一家采用LED技術(shù)的照明產(chǎn)品領(lǐng)先供應商) 指出：在過(guò)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)一步預測，在2009年，用LED燈泡替換白熾燈泡的價(jià)位將為消費者所接受?！?/P>

　　照片 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)主管Tony Armstrong

　　@應用升溫

　　LED的應用以照明和背光為主，除此之外，還有汽車(chē)車(chē)燈應用。

　　其中大型LED顯示屏增長(cháng)最快。據DIGITIMES的預估，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(cháng)率分別為34.1%、39%、41.5%，可謂是LED眾應用領(lǐng)域當中，年成長(cháng)率最顯著(zhù)的產(chǎn)品。

　　由于LED顯示屏采用了低電壓掃描驅動(dòng)，具有耗電省、壽命長(cháng)、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠、防水、規格品種多等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足各種不同應用場(chǎng)景的需求，即便是在太陽(yáng)光直射下，屏幕也可以調整自身亮度來(lái)適應高亮度環(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的方形;隨著(zhù)不同應用需要，LED顯示屏也可設計成不同的形狀。比如，鏈條狀LED顯示屏，突破傳統LED顯示器設置場(chǎng)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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，也正朝著(zhù)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(cháng)潛力不可限量。

　　高亮LED及驅動(dòng)技術(shù)動(dòng)向

　　高亮度LED(HB LED)成為2009年的熱門(mén)話(huà)題，近來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用，其中包括LCD背光模組，汽車(chē)照明，普通照明以及半導體照明，這些應用使得高亮度LED未來(lái)5年的成長(cháng)前景相當樂(lè )觀(guān)?！拔覀児烙嬆昃鶑秃显鲩L(cháng)率為20%?！钡揽祵幍腂illy說(shuō)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公司亞太區技術(shù)市場(chǎng)總監梁后權解釋說(shuō)，白光或暖白光高亮度LED是室內照明的最佳選擇，而RGB高亮度LED則適用于裝飾及情調照明。高亮度LED的另一個(gè)市場(chǎng)是汽車(chē)的車(chē)頭及車(chē)尾燈。雖然HID燈及傳統的電燈泡仍然主導該市場(chǎng)，不過(guò)高亮度LED應用擁有更好色溫及更長(cháng)使用壽命的優(yōu)點(diǎn)，所以逐漸在中國普及起來(lái)。

　　眾所周知，高亮度LED系統的熱性能是設計人員的重要考慮。這是由于LED應用與一般燈泡及低強度的3或5mm軸向LED不同，它所產(chǎn)生的熱量非常低。燈泡也會(huì )產(chǎn)生大量熱能，但這并不會(huì )構成任何問(wèn)題。但是，高亮度LED產(chǎn)生過(guò)多熱度時(shí)，熱能需要在最短時(shí)間內散去，以避免對LED造成損害。因此，從設計的角度來(lái)講，系統的熱量問(wèn)題是一項重大的挑戰。梁后權說(shuō):“Diodes Zetex的高亮度LED驅動(dòng)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——特別是高亮度LED照明系統的必要條件?！?/P>

　　由于高亮度LED的使用壽命長(cháng)達5萬(wàn)小時(shí)，所以高亮度LED系統設計人員一直都需要尋求可靠的設計。系統的具體考慮包括光電效率、流明/瓦特、色溫漂移、光強度隨時(shí)日衰減的情況，以及封裝的熱阻性。此外，設計人員也一直尋求高正向電壓、高色溫及高強度的高亮度LED。這些參數對系統的可視功能發(fā)揮著(zhù)重大的作用。市場(chǎng)需要的LED驅動(dòng)器需擁有細小、低熱阻的封裝，并具有高可靠性、高效率，還有良好的LED調光功能，如高調光比的PWM及DC調光功能。

　　另一項挑戰可說(shuō)是系統的光學(xué)設計，因為這涉及各種各樣的參數，例如外殼、透鏡及反射鏡的用料及設計，甚至是LED的觀(guān)看角度。系統的整體效率則是最終的考驗。低效率的系統會(huì )造成很多問(wèn)題，例如過(guò)熱、縮短使用壽命、降低可靠性，更嚴重的問(wèn)題是周邊溫度上升，使高亮度LED的光衰弱加深。因此，這為L(cháng)ED 驅動(dòng)器廠(chǎng)商提出了挑戰。Diodes Zetex稱(chēng)能夠幫助設計人員克服這些問(wèn)題，包括提供評估板、應用及設計資料、模擬模型和Excel計算器，并由經(jīng)驗豐富的應用工程人員為客戶(hù)提供協(xié)助，可顯著(zhù)縮減設計周期。

　　亮度調節方面需要微控制器驅動(dòng)器。因為高級LED燈具設備需要通過(guò)控制LED的電流和實(shí)時(shí)監測設備的智能驅動(dòng)電子技術(shù)來(lái)實(shí)現。因為L(cháng)ED本身并不能像傳統白熾燈和熒光燈一樣發(fā)出高亮度的白光。并且當今絕大多數基于LED的設備要求實(shí)現能夠隨時(shí)間而變化的光線(xiàn)輸出。這些特性和要求給很多照明制造廠(chǎng)商帶來(lái)困擾?！癈ypress可以提供特殊的方案幫助解決這些問(wèn)題，”Cypress公關(guān)總監Donald Parkman說(shuō)，“使用我們的軟件設計人員可以輕松編寫(xiě)程序，確保LED 保持精準的顏色和強度輸出?！?/P>

　　照片 Cypress公關(guān)總監Donald Parkman

　　DC LED光源及其驅動(dòng)IC的設計、生產(chǎn)技術(shù)都已日益完善，價(jià)格呈每年20%～30%的下降，為L(cháng)ED燈具的廣泛應用創(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)間才能達到今天DC LED的水平。不過(guò)，很多驅動(dòng)器廠(chǎng)家沒(méi)有考慮做DC LED。對此，Intersil的Robert解釋說(shuō)，首爾半導體等公司采用AC LED的原因是該公司也同時(shí)做LED光源，因此直接做用AC驅動(dòng)LED的方案。但大部分獨立的IC廠(chǎng)商仍然采用直流的驅動(dòng)器方案，好處是AC和DC隔離開(kāi)來(lái)，這樣可以起到保護LED消費端的作用。例如，Intersil的方案能支持110～220V交流電，最高耐壓可達277V。

　　照片 華潤矽威的高工顏重光

　　*照明用單LED驅動(dòng)器將保持增長(cháng)勢頭

　　由于LED驅動(dòng)器需要集成到單個(gè)燈體中，PI公司認為對LED驅動(dòng)器的主要要求如下：

　　* 效率更高，以降低燈內的功率耗散并使LED驅動(dòng)器能夠在可接受的溫度下進(jìn)行工作;

　　* 具備功率因數校正電路，以滿(mǎn)足新出臺的能源之星規范;

　　* 外形尺寸小，以便裝入燈殼內;

　　* 優(yōu)先采用隔離式設計方案，更容易符合安全要求;

　　* 在現行要求下，普通照明用單LED芯片將繼續保持增長(cháng)勢頭(使得LED燈更難滿(mǎn)足高能效要求)。

　　不過(guò)，中國雖然目前的LED設計活動(dòng)非?；钴S。但大部分的設計活動(dòng)是針對歐美市場(chǎng)的，并非針對本國市場(chǎng)。

　　部分LED驅動(dòng)器及調光方案

　　安森美：多樣的LED驅動(dòng)器及調光芯片

　　包括多樣化的元件驅動(dòng)LED及調光?！懊客吡髅鲾挡粩嗵嵘腖ED技術(shù)在2009年將繼續向前推進(jìn)，恒流驅動(dòng)架構是驅動(dòng)LED的關(guān)鍵?！卑采腊雽w亞太區電源管理部市場(chǎng)推廣經(jīng)理蔣家亮說(shuō)，“此外，要實(shí)現強固的LED驅動(dòng)產(chǎn)品，需要采用系統導向的方法，考慮光源、電源轉換、LED控制和驅動(dòng)、散熱和光學(xué)等多種因素?！?/P>

　　安森美專(zhuān)注于運用低電壓和高電壓技術(shù)，以及在電源管理方面的專(zhuān)長(cháng)，不斷推出領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品，例如最新的CAT3224驅動(dòng)器，是業(yè)界首款4A單芯片LED驅動(dòng)器，為基于超級電容的LED相機閃光和工業(yè)應用提供高強度LED閃光能力，在這些應用中LED被用于替代氙氣閃光。

　　安森美的LED驅動(dòng)電源解決方案產(chǎn)品系列，滿(mǎn)足從高壓離線(xiàn)型AC-DC開(kāi)關(guān)電源到寬輸入范圍的中等電壓LED電源，以及便攜產(chǎn)品背光和閃光驅動(dòng)應用的廣泛需求。

　　例如離線(xiàn)式PWM開(kāi)關(guān)穩壓器NCP1014/1028，含集成的700V高壓MOSFET，具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關(guān)閉保護等特性，適合于LED鎮流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業(yè)燈等應用?；蛱娲鶨27/GU10燈。

　　照片 安森美亞太區電源管理部市場(chǎng)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驅動(dòng)IC。PT4115、PT4107已被國內外客戶(hù)用于大批量生產(chǎn)各種LED燈具。2008年起向客戶(hù)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;還有不少新的系統應用方案在設計中，如LED路燈、太陽(yáng)能LED燈等。

　　聚積科技：首款內建16位PWM的LED驅動(dòng)器

　　MBI5030號稱(chēng)是業(yè)內第一款內建16位元PWM的智能型LED驅動(dòng)芯片，可建立最高達65,536種灰階應用的全彩顯示屏，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、灰階表現的高規格要求。此外，MBI5030改善傳統PWM的功能，將一個(gè)影像導通的時(shí)間分散成數個(gè)較短的導通時(shí)間，以增加整體的視覺(jué)更新率，最高可達7680Hz (@ GCLK=8MHz )，能夠讓高速攝影機在拍攝時(shí)不閃爍地捕捉畫(huà)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(kāi)/關(guān)或多模式控制，能提高驅動(dòng)器的能效水平。此外，PI產(chǎn)品還可減少對外部元件數量的要求，從而延長(cháng)驅動(dòng)器的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。只使用15個(gè)外部元件完全可以設計出350 mA, 12 V的LED驅動(dòng)器。

　　ST：太陽(yáng)能LED街燈

　　ST在今年2月推出了太陽(yáng)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)模塊構成：一個(gè)85W太陽(yáng)能充電器和一個(gè)25W發(fā)光二極管驅動(dòng)器，節能并提高照明效果。

　　照片1 ST的太陽(yáng)能街燈方案

　　NS：RGB背光手機屏：

　　NS介紹一個(gè)該公司的新技術(shù)——RGB(紅綠藍)背光驅動(dòng)，代替通常的手機白光驅動(dòng)。據NS公司亞太區電源產(chǎn)品市場(chǎng)總監黃漢基介紹，白光背光的缺點(diǎn)是沒(méi)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到比較穩定的效果。另外，白光驅動(dòng)還有較大的能耗;但RGB加上高性能濾波器后，能達到良好的節能效果。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比白光背光更節能

　　道康寧：硅基密封材料

　　作為L(cháng)ED行業(yè)重要的技術(shù)目標，光輸出率是極為重要的。道康寧認為硅基密封材料(照片2)具有巨大的潛力，因為其更高的折射率(>1.5RI)，因此對于推廣LED在高性能領(lǐng)域的應用有著(zhù)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(cháng)期穩定性。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(mǎn)足更加廣泛的硬度和粘性要求。