LED照明市場(chǎng)引爆對LED驅動(dòng)器的巨大需求

　　早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大約每經(jīng)過(guò)18到24個(gè)月可提升一倍的亮度，這就是著(zhù)名的Haitz定律(圖1)，也被稱(chēng)為LED行業(yè)的摩爾定律。根據這個(gè)定律，具有突破性質(zhì)的亮度達100lm/W的LED約在2008~2010年間出現。實(shí)際上，2006年6月日本日亞化學(xué)公司就推出100lm/W白光LED工程樣品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下最小光通量為100lm的高亮度LED。

圖1 LED大約每經(jīng)過(guò)18到24個(gè)月提升一倍的亮度

　　研究顯示，僅僅在美國，如果55%的白熾燈和55%的日光燈被LED取代，每年將節省350億美元電費，減少7.55億噸二氧化碳排放量，LED節能高效的優(yōu)點(diǎn)以及不斷下降的成本使之逐漸成為白熾燈和熒光燈的替代光源。中國在2006年2月9日公布的《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006~2020年)》中，把“高效節能、長(cháng)壽命的半導體照明產(chǎn)品”列入中長(cháng)期規劃第一重點(diǎn)領(lǐng)域的第一優(yōu)先主題，“十一五”規劃的十大節能重點(diǎn)工程就是綠色照明，在公用設施、賓館、商廈、寫(xiě)字樓以及住宅中推廣高效節能的照明系統，這預示著(zhù)LED照明市場(chǎng)的龐大市場(chǎng)潛力。據預測，到2020年，LED照明市場(chǎng)的規模將達到1550億美元，因此，將產(chǎn)生引爆對LED驅動(dòng)器的巨大需求。

　　高效LED驅動(dòng)器要求結合多種驅動(dòng)技術(shù)

　　LED照明系統的電/光轉換過(guò)程從供電部分開(kāi)始，依次包括電源管理和轉換、驅動(dòng)器、熱管理、傳感和控制、LED、混光和散射、光學(xué)提取等部分，如圖2所示。從中可見(jiàn)，LED照明系統的電/光轉換效率，不僅僅取決于LED，而且取決于各個(gè)電子和光學(xué)部件，因此，提高電/光功率的轉換效率是一個(gè)巨大的系統工程，需要全行業(yè)的協(xié)調配合及努力。

圖2 LED照明系統的電光轉換過(guò)程

　　在LED驅動(dòng)器領(lǐng)域，Aston科技園負責固體照明研究中心(SSLRC)的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監Geoff Archenhold認為，驅動(dòng)LED工作的技術(shù)有許多，其中主要分為：

　　*直流驅動(dòng)：?jiǎn)紊獿ED驅動(dòng)，但效率最高;

　　*脈寬調制(PWM)：多色彩LED驅動(dòng);

　　PWM的原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號與基準信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調節集成電路內部開(kāi)關(guān)器件的導通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號保持穩定。PWM的開(kāi)關(guān)頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。目前很多產(chǎn)品都應用這種方案。

　　*脈沖幅度調制(PAM)：多色彩LED驅動(dòng);

　　*脈沖頻率調制(PFM)：?jiǎn)紊獿ED驅動(dòng);

　　PFM是通過(guò)調節脈沖頻率(即開(kāi)關(guān)管的工作頻率)的方法實(shí)現穩壓輸出的技術(shù)。它的脈沖寬度固定而內部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態(tài)功耗較低場(chǎng)合可采用PFM方式控制。

　　*上述各種方法的組合;

　　他認為，LED及其驅動(dòng)器所面臨的挑戰包括標準化的需求、熱管理、提高光線(xiàn)的質(zhì)量和降低成本等四大方面，核心問(wèn)題是如何提高發(fā)光的效率，將來(lái)新智能型LED驅動(dòng)器必須具備下列特性：

　　*高效率;

　　*AC/DC轉換級和LED驅動(dòng)器級的效率要大于85%;

　　*應具備閉環(huán)反饋的控制功能;

　　*能夠監測和報告所有的系統參數;

　　*能夠精密地控制電流(<5%的波紋);

　　*自動(dòng)監測和補償Vf下降;

　　*智能電壓控制;

　　*光學(xué)反饋控制;

　　*智能電源系統單元(PSU)溫度管理;

　　*對LED安裝夾具的熱管理;

　　Geoff Archenhold指出，在LED與封裝夾具的光效一樣的前提下，整個(gè)LED系統的效率主要取決于哪一個(gè)LED驅動(dòng)器的效率更高，差距可能達到5%。

　　此外，Darnell Group公司的高級分析師Linnea Brush指出，對LED驅動(dòng)器的需求數量應該按照功率來(lái)劃分，因為每一種應用都可能采用大量的LED。如圖3所示是對Darnell Group公司全球LED驅動(dòng)器出貨量的預測，其中可見(jiàn)<6W的LED驅動(dòng)器市場(chǎng)增長(cháng)最快這一趨勢。

圖3  全球LED驅動(dòng)器出貨量的預測

　　高效地實(shí)現電/光功率轉換是競爭焦點(diǎn)

　　對于LED驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，重要的是產(chǎn)生預期LED亮度所需要的LED輸入功率值。正如業(yè)內專(zhuān)家指出，以大電流驅動(dòng)LED需要采用DC/DC轉換器準確地調節電流，這個(gè)DC/DC驅動(dòng)器必須高效率地工作，在驅動(dòng)HB LED時(shí)尤其如此，否則的話(huà)，所有未轉化成光的功率都將被轉化成熱量消耗掉。目前，提高效率的主要技術(shù)是提升PWM負載切換速度和降低控制環(huán)路中的電流檢測電阻的數值。

　　例如，LTC3783采用True Color PWM調光技術(shù)，能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性，以數字方式實(shí)現3000:1的調光比。LTC3783是一種電流模式、多種拓撲轉換器，具有恒定電流PWM調光能力，適用于驅動(dòng)大功率LED串和LED組。它具有極快的PWM負載切換速度，無(wú)瞬態(tài)欠壓或過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題，可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉換器，以及用作恒流/恒壓調節器。無(wú)RSENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無(wú)需電流檢測電阻，因而提高了效率。

　　另一方面，美信推出的MAX16819/MAX16820 HB LED驅動(dòng)器僅需一個(gè)外部MOSFET和少量無(wú)源器件，可驅動(dòng)高達3A電流的LED。每個(gè)器件均可以驅動(dòng)多達6個(gè)串聯(lián)LED，提供從1W到25W以上的輸出功率，效率高達94%。與通常用于驅動(dòng)HB LED的通用降壓控制器不同的是，MAX16819/MAX16820驅動(dòng)器采用滯回控制。通過(guò)這一控制技術(shù)，驅動(dòng)器可以保證在PWM調光期間的快速瞬態(tài)響應和導通/關(guān)斷時(shí)間。此外，通過(guò)采用真差分檢測技術(shù)可以精確控制LED電流，利用外部PWM信號輕松實(shí)現較寬的亮度調節范圍。PWM調光采用專(zhuān)用的DIM輸入實(shí)現高達5000:1的調光范圍或極高的調光開(kāi)關(guān)頻率(高達20kHz)。

　　此外，在Vishay Intertechnology公司的SiP12510和SiP12511電流模式升壓轉換器中，采用了線(xiàn)性和PWM技術(shù)以及低至0.1V反饋電壓的技術(shù)實(shí)現了高達90%的轉換效率。

　　在歐洲，Integrated System Technologies是領(lǐng)先的LED驅動(dòng)器設計制造商，它推出的210瓦3信道iDrive 1000 LED驅動(dòng)器集成了擁有專(zhuān)利的PWM驅動(dòng)技術(shù)和ColourCool散熱管理系統，其高功率密度和領(lǐng)先的PSU效率的組合，確保具有小尺寸和不需要大塊的散熱片。這個(gè)使iDrive系列解決方案為固態(tài)照明制造商提供了一個(gè)高質(zhì)量電源解決方案。

　　在LED驅動(dòng)器領(lǐng)域，中國半導體公司積極介入。例如，士蘭微電子股份有限公司也推出了一款降壓型、PWM控制、功率開(kāi)關(guān)內置的白光LED驅動(dòng)芯片—SB42510。該款芯片是DC/DC功率LED驅動(dòng)電路，三種不同的規格可以滿(mǎn)足1W，3W以及5W的白光LED的驅動(dòng)。SB42510采用先進(jìn)的BCD工藝，輸入電壓可以達到25V，輸出電流可達1A。驅動(dòng)單顆LED時(shí)，效率可以達到88%;驅動(dòng)兩顆及多顆LED時(shí)，效率可以達到95%以上。SB42510芯片工作頻率在360kHz左右。此外，英諾華微電子推出的IV0101/IV0102升壓轉換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎上改進(jìn)的PFM/PWM控制技術(shù)，采用是PFM與PWM有機結合的控制方式，因而具有PFM較快的響應速度和很高的回路增益及PWM大電流輸出特性，可與PWM調光相配合，成為理想的中小功率LED恒流驅動(dòng)芯片。

　　對LED驅動(dòng)器的多種需求催生新的設計工具

　　隨著(zhù)大功率LED照明中的普及應用，功率型LED驅動(dòng)器的發(fā)展越來(lái)越重要。用城市用電驅動(dòng)大功率LED不僅僅需要解決降壓和恒流問(wèn)題，還要求具備比較高的轉換效率、較小的體積、長(cháng)時(shí)間工作、較低的成本并解決抗電磁干擾的問(wèn)題。目前，對LED驅動(dòng)器的正產(chǎn)生下列新的需求：

　　*體積要求小型化

　　隨著(zhù)LED向普通照明的逐漸普及，大功率LED電源設計的小型化發(fā)展是一個(gè)必然的越勢，以幫助制造生產(chǎn)出能夠替代現有照明燈的LED燈，這就對LED驅動(dòng)器提出了新的挑戰。

　　*多種保護和診斷功能

　　LED在電流過(guò)強時(shí)，引起LED光學(xué)特性衰減，導致LED的壽命縮短，這就需要驅動(dòng)器提供過(guò)流保護、過(guò)熱保護、短路保護等保護功能，以及LED驅動(dòng)器故障診斷功能。

　　*抗電磁干擾

　　目前，因空間和成本限制，市場(chǎng)上有很多LED燈的設計并不符合傳導EMI規范，目前，美國UL正在著(zhù)手開(kāi)發(fā)一系列涉及LED產(chǎn)品的安全評定標準。Power Integrations公司已經(jīng)捷足先登，利用其LinkSwitch-TN功率轉換IC中的頻率調制特性，可以使LED燈滿(mǎn)足EMC規范的要求。

　　面對諸多的應用需求和眾多的LED驅動(dòng)器解決方案，LED驅動(dòng)器的選擇將是設計工程師面臨的難題。利用在線(xiàn)仿真工具進(jìn)行LED驅動(dòng)器的選擇和設計將成為重要的發(fā)展趨勢。例如，美國國家半導體公司(NS)在串聯(lián)或并聯(lián)、升壓或降壓轉換器上都有一系列的整體解決方案，通過(guò)與大功率LED制造商—如OSRAM、Phlips Lumiled、日亞、Avago—合作，NS提供在線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具LED WEBENCH，從輸入設計信息開(kāi)始，到選擇LED驅動(dòng)程序、建立BOM表、最優(yōu)化效率、在線(xiàn)模擬驗證，乃至于產(chǎn)出參考設計等，為工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供了最有效的工具。

　　結語(yǔ)

　　目前，LED照明行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始大規模進(jìn)入路燈照明領(lǐng)域，在9月初舉行的中國(深圳)國際光電博覽會(huì )上可以驗證這一點(diǎn)。在這次博覽會(huì )的高層論壇上，南京漢德森半導體照明有限公司梁秉文宣稱(chēng)，“LED照明是永遠的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”，因此，可以預期LED驅動(dòng)器技術(shù)有望伴隨著(zhù)LED照明產(chǎn)業(yè)興起而為半導體行業(yè)的發(fā)展注入巨大動(dòng)力。

　　參考文獻：

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　　6. Linnea Brush, LED driver market emphasizes high-power requirements, P9, LEDS MAGAZINE Issue 6 April 2006