白光LED驅動(dòng)IC設計與技術(shù)發(fā)展

白光LED驅動(dòng)IC設計與技術(shù)發(fā)展

導讀：在追求廣色域的目標之下，全球液晶電視業(yè)者紛紛開(kāi)始導入led的背光結構，當然這并不是一件簡(jiǎn)單的事情，除了成本的考量之外，最重要的莫過(guò)于耗電的話(huà)題。

Sony在2004年所發(fā)表的40寸及46寸LCD用LED背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達450W以上，不過(guò)隨著(zhù)技術(shù)的提升，Sony在2007年所銷(xiāo)售的70寸LED背光液晶電視的耗功率已經(jīng)大幅下降到200W，所采用的3原色LED數量還是450顆，這樣的數字是相當驚人的，因為利用2年左右的時(shí)間，就可以將耗電量減少一半，并且可支持的面板尺寸也將近增大1倍。

圖說(shuō)：背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達450W以上。

液晶電視邁向降低耗電量時(shí)代

姑且不管Sony是如何達到這樣的技術(shù)目標，事實(shí)上，降低電視背光耗功率的技術(shù)研發(fā)一直在全球業(yè)者之間不斷的進(jìn)行著(zhù)，而在2006年初，根據日本媒體的報導，當時(shí)32寸液晶電視總耗電量為180W左右，預計到2006年下半，當時(shí)被稱(chēng)為主流尺寸的32寸液晶電視，總耗電量有可能降低到100W以下。

但是如果轉換成目前主流的40寸液晶電視，詳細的作法觀(guān)念是，基于液晶電視每年都以15％左右的比例降低耗電，所以到2006年底以前，總耗電量將會(huì )降低到230W左右(270W X 15％)，如果再加上能夠提升背光模塊技術(shù)的話(huà)，就有機會(huì )將背光模塊的耗電量降低40％，如此一來(lái)總耗電量就將近159W，依照這樣的進(jìn)步速度，2010年時(shí)，總耗電量就可以達到100W。當然，在這樣目標之下所指的背光還是冷陰極管。

液晶LED背光已被市場(chǎng)所期待

但是無(wú)論如何，LED背光模塊已經(jīng)是被市場(chǎng)所期待的技術(shù)之一，也就是說(shuō)，所面對的高耗電課題，已經(jīng)是不得不去解決的了，因為對于大尺寸的液晶電視來(lái)說(shuō)，有將近60％的電力是消耗在背光模塊上，不過(guò)要降低總耗電量并不是只有LED背光這個(gè)單一的方面，另外還包括改變驅動(dòng)電路技術(shù)、強化導光效率、降低熱效應現象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術(shù)。

目前根據應用的不同，LED的點(diǎn)燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光，而包括監視器以及小尺寸應用的產(chǎn)品，都是以側光式為主，這是由于雙方對于輝度與演色性需求差異下的區隔。一般來(lái)說(shuō)，監視器多是使用側光式的RGB3原色的點(diǎn)燈方式，如果是更小尺寸的應用，例如是車(chē)載導航用面板、手機面板、PDA用面板等等，就多是使用白光LED的側光方式，不過(guò)側光白光LED的背光方式，已經(jīng)逐漸朝向大尺寸化發(fā)展，目前包括有部分的筆記型計算機也開(kāi)始采用側光白光LED的背光模塊，因此在外型的設計上，更能達到薄型化、高彈性的目標，雖然白光LED在紅色表現部分，有演色性不足的問(wèn)題，但是因為筆記型計算機大多是用來(lái)進(jìn)行文書(shū)等等靜態(tài)畫(huà)面顯示，期望達到與液晶電視相通同質(zhì)量的用戶(hù)畢竟不多，所以，基本上演色性不足并不是太大的問(wèn)題，不過(guò)當然還有可以克服的方式，例如在白光LED的陣列中加入紅光LED等等，這些方式也一一的被背光模塊業(yè)者所克服。

圖說(shuō)：目前根據應用的不同，LED的點(diǎn)燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光。（三星電子）

引頸期待高效率高輝度的LED

但是如果期望實(shí)際的普及3原色LED背光，相信還有很多的問(wèn)題需要解決，甚至于要耗費數年的時(shí)間。其實(shí)說(shuō)穿了根本關(guān)鍵還是在成本，因為對于液晶電視而言，所需要的是高輝度，所以必須采用1W以上高效率、高輝度的LED，在加上因為是直下式入光，所以3原色LED使用的顆數，有可能會(huì )因為面板尺寸的增加而增加LED使用顆數，但是如此的作法又會(huì )帶來(lái)另外的問(wèn)題，那就是熱效應會(huì )因為3原色LED使用數增加而爆增，如此一來(lái)那就必須采用更多的散熱鰭片、風(fēng)扇、散熱管等等來(lái)維持模塊內的溫度，此外，使用數量龐大的LED，而為了使色調統一，除了要嚴謹的篩選發(fā)光波長(cháng)相同的LED之外，還必須采用Color Sensor來(lái)調整RGB色差，但所造成的影響便是成本的增高，因而無(wú)法有效的讓售價(jià)符合消費者的期望值。不過(guò)這并非絕對的，另也可以使用其它的技術(shù)來(lái)達到面板尺寸增加，而不必使用太多的3原色LED數量。

不過(guò)，期望降低LED背光模塊的耗電量并非是背光模塊與液晶電視系統業(yè)者所需要努力的，其實(shí)對于LED芯片業(yè)者來(lái)說(shuō)，也扮演著(zhù)相當重要的角色，因為如果芯片業(yè)者的努力能夠強化LED發(fā)光效率的話(huà)，那么LED對于電力的需求也就因此而大幅度的降低，而所得到的效益也就會(huì )直接反映在LED背光模塊上。

圖說(shuō)：要降低總耗電量并不是只有LED背光單一方面，包括改變驅動(dòng)電路技術(shù)、強化導光效率、降低熱效應現象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術(shù)。

熱效應問(wèn)題是老生常談卻不易解決

最近這幾年來(lái)，LED芯片業(yè)者相當積極的開(kāi)發(fā)高亮度LED芯片，最實(shí)際的做法就是如何讓LED能夠支持更大的電流，來(lái)讓LED產(chǎn)生更大的輝度，以目前的規格來(lái)說(shuō)，一顆面積30um2 的LED所能承受的最大電流為30mA左右，這樣的結果還是無(wú)法符合在應用上「讓LED產(chǎn)生更大的輝度」的需求，因為市場(chǎng)所期望的是能夠在面積為1mm2 的LED芯片中導入350mA的電流，讓單芯片產(chǎn)生更高的內部量子效率，如果驅動(dòng)電壓是3V的話(huà)，那么換算之后，被流入LED的電力就有將近1W左右。

但是，并不是一味地提高電流量就可以了，因為根據經(jīng)驗，所流入的電力有4分之3左右，都會(huì )產(chǎn)生熱效應，也就是說(shuō)，只有4分之1(0.25W)會(huì )轉換成光，而0.75W左右的電力，都會(huì )便成熱效應。而熱效應所帶來(lái)的困擾，眾所周知，LED會(huì )因為溫度而改變光波長(cháng)，并且降低發(fā)光效率，造成畫(huà)質(zhì)的演色偏差。

對于LCD背光用的白光LED開(kāi)發(fā)課題來(lái)說(shuō)，不僅僅是提高LED的發(fā)光亮度，還必須包括輝度均一性、高色彩演色性、提高使用長(cháng)壽等等的挑戰，因此在完成高電流的LED芯片之后，如何封裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上，就成了業(yè)者相當重要的課題。

藉由封裝提升光輸出功率

目前照明推進(jìn)協(xié)會(huì )預計，100 lm/W的白光LED將會(huì )達到每流明1日圓的實(shí)用化階段。達到LED的平均演色評價(jià)數提高，螢光粉的開(kāi)發(fā)就扮演了相當重要關(guān)鍵，因為利用螢光粉搭配藍光LED所得到的模擬白光LED，在波長(cháng)上對于紅色和綠色的顯現能力較為薄弱，所以也有業(yè)者開(kāi)始開(kāi)法利用紫外光LED搭配RGB螢光粉。但是這樣的作法還是有其復雜性的，因為并不能將各個(gè)顏色螢光粉單純的混合，因為如何達到接近自然白光的輸出就是一個(gè)難題。不過(guò)有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認為只需要改善白光LED的螢光粉材料濃度均勻性，與螢光粉的制作技術(shù)，應該可以克服上述困擾。

就技術(shù)上，如果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術(shù)的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，以今天的技術(shù)而言不是困難的課題，例如包括Cree、日亞等等的業(yè)者在2006年已開(kāi)發(fā)出高亮度的藍光LED芯片。緊接著(zhù)之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業(yè)者的能力。

但是在提高電流輸入的同時(shí)，所帶來(lái)的熱效應，就不得不嚴謹的面對了，因為必須設法減少熱阻抗、改善散熱等等問(wèn)題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。