背光及照明用LED驅(qū)動IC技術分析

    led 作為綠色環(huán)保的清潔光源得到廣泛的認可。LED 使用壽命長、節(jié)能省電、應用簡單方便、使用成本低，因而在手機、MP3、MP4、PMP、DSC(數(shù)碼相機)、PDA、GPS、PND、游戲機、學習機、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、標識牌照明；在汽車的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈；以及在家庭照明都會得到海量的應用。

　　目前手機彩屏背光應用占LED驅(qū)動IC 總出貨比重的60%，除了按鍵與彩屏背光應用外，由于照相手機的普及，搭配LED 省電與小型化的特性，手機相機閃光燈應用比重逐日提高，將占整體手機應用的35%～40%。全球手機產(chǎn)量由2006 年的8 億部增長到2007 年的11 億部，增幅達40%，2008 年預計將生產(chǎn)15 億部。2007 年中國手機出貨量增長21.9%，達5.58億部，占據(jù)全球市場的一半左右。按80%手機采用彩屏計算，2007 年手機產(chǎn)品應用的LED驅(qū)動IC 達6 億顆。預估LED 驅(qū)動IC 在消費性電子產(chǎn)品市場將繼續(xù)成倍增長。

　　7 英寸～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，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，因為它不但可以使屏幕的厚度減半(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，預計用戶還是可以接受的。據(jù)估計，2007 年有8%的筆記本電腦采用LED 作為背光，而2007 年筆記本電腦的預計產(chǎn)量為8500 萬臺，采用LED 作為背光的筆記本電腦將達到680 萬臺，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CFL 背光的趨勢已經(jīng)十分清晰。2009 年LED 驅(qū)動IC 出貨量將達9.1 億顆，年復合增長率將達32%。
LED 驅(qū)動IC 的市場需求

　　LED 驅(qū)動IC 的市場需求按應用來分基本有三大類，一是用于消費性電子產(chǎn)品的，其應用特點是以電池為能源，一般為4.2V～8.4V，因此低電壓、小電流的LED 驅(qū)動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IC，主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，并同時完成與LED 的電壓和電流的匹配。因而不同應用的LED 驅(qū)動IC 是完全不同的。

　　消費性電子產(chǎn)品的LED 驅(qū)動器擁有比較成熟的技術、產(chǎn)品和相對成熟的市場。汽車照明產(chǎn)品使用的LED 數(shù)量較多，大多是串、并聯(lián)驅(qū)動，需要較高的電壓，對于取自48V 汽車蓄電池的電源來說是十分方便的。目前能耐60V 高壓的LED 驅(qū)動器新品已推出較多，因而在汽車前裝市場直接采用LED 的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車燈、方向燈、尾燈的市場十分看好和樂觀。

　　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IC，目前還不能提供單個SoC 的集成電路產(chǎn)品，大多數(shù)是模塊電路。建筑裝飾照明在國內(nèi)各大城市應用已十分廣泛，節(jié)能效果顯著。社會對家庭用LED 照明燈需要量將是一個天文數(shù)字，但目前的家庭用LED 照明燈技術和生產(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

　　要設計LED 驅(qū)動的應用電路，首先要了解LED 的工作原理。LED 工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關的是顏色、波長、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。VF 前降電壓是為LED 發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)。IF 前降電流是促使LED 發(fā)光，發(fā)光亮度與流過的電流成正比例。LED VF 的標稱電壓一般為3.4V±0.2V。工作電流IF 按應用需要選用，LED 的IF 通常為5mA~500mA。以手機為例，手機鍵盤背光使用電流為5mA~10mA，LCD 背光使用電流為15mA~20mA，相機閃光燈使用電流為100mA~500mA。它們的IF 都不相同，各擋LED 不能混用。
消費性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動IC
　　消費性電子產(chǎn)品LCD 屏的背光一般是2 顆~8 顆LED 燈，并聯(lián)或單顆供電的應用居多。自2000 年以來，消費性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動IC 有DC/DC 開關穩(wěn)壓器(Boost)、電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant)和低壓差穩(wěn)壓器LDO)。DC/DC 開關穩(wěn)壓器是用電感器儲存電能的，而電感器容易發(fā)射開關頻率，易對射頻(RF)發(fā)生新的干擾，因此在手機產(chǎn)品中用得較少。電荷泵也是一種開關穩(wěn)壓器，但它是用電容器作電能儲能，因而不會發(fā)射開關頻率，在手機產(chǎn)品中占了最大的份額。LED 發(fā)光要求IF 恒流，恒流源就是針對這個市場而特別設計、生產(chǎn)的，恒流源的價格是電荷泵的50%，因而近年來在普及型手機產(chǎn)品中也占有一定的份額。普及型手機產(chǎn)品對成本的要求很苛刻，手機背光驅(qū)動單元尚可榨油的就是降低LED 驅(qū)動IC 的成本，大多數(shù)手機的關機電壓設計在電池
電壓降至3.3V 時，因此恒流源就設計成在4.2V~3.3V 時恒流輸出20mA~30mA，3.3V 以下輸出電流急降。電荷泵的賣點是轉(zhuǎn)換效率高(η)，但大多數(shù)電荷泵在4.2V~3.3V 時其轉(zhuǎn)換效率并不高，當電池電壓降到3.0V~2.5V 時它的轉(zhuǎn)換效率能達85%~90%，可惜在目前大多數(shù)的手機方案中并不能發(fā)揮其優(yōu)勢。LDO 是一個性能很好的低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓穩(wěn)定，當負載不變時，它流過負載的電流也恒定，基于此原理LDO 也是一個很好的LED 驅(qū)動器。[!--empirenews.page--]

    就目前手機用 LED 驅(qū)動IC 而言，一個DC/DC(Boost)的售價是0.12 美元～ 0.15 美元,一個電荷泵的售價是0.20 美元～0.25 美元,一個恒流源的售價是0.09 美元～0.12 美元，一個LDO 只有幾美分，對于降低手機背光驅(qū)動單元成本，有一定的空間，今年來不少普及型手機都已選用。手機背光LED 驅(qū)動芯片的演變?nèi)鐖D1 所示，手機LCD 背光如圖2 所示。

　　手機除了彩屏背光需要LED 驅(qū)動IC，手機的鍵盤背光，手機相機的閃光燈也需要LED驅(qū)動IC。其特點是低電壓、小電流，因為是以電池為能源的。

　　沒有RF 部分的消費電子產(chǎn)品的LCD 屏背光驅(qū)動可以選用DC/DC 開關穩(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LED 的串并聯(lián)可作較大的LCD屏背光源，如圖3 所示的LCD 電子燈箱。此外，還有如LED 手電筒。

    移動手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動IC 的選擇

　　移動手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動IC 的選擇，按LCD 的面積來設定需要LED 點光源的個數(shù)；按LED 的N 串N 并的點亮方式來選擇不同工作原理、不同輸出能力的LED 驅(qū)動IC；1.8英寸～3.5 英寸手機用LCM 其LED 點光源是2 顆～4 顆LED；3.5 英寸～8.0 英寸MP3、MP4、PDP、GPS、PND、DPF 用LCM 其LED 點光源是6 顆～28 顆LED；12.1 英寸～15.4 英寸筆記本電腦用LCM 其LED 點光源是48 顆～60 顆、60 顆～72 顆LED；手機有RF 怕干擾，因此大多數(shù)不選用以電感器為電能儲存器的DC/DC Boost；沒有RF 的消費電子產(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IC 的有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開關穩(wěn)壓器(DC/DC Boost )。背光LED 驅(qū)動IC 的選擇如表1。

    家庭用LED 照明燈驅(qū)動器

　　家庭用的照明燈目前還沒有成熟的產(chǎn)品，家庭用的照明燈的功率要求10W 以上。目前市售的1W～5W LED 燈在家庭只能作為壁燈和輔助照明用，因為它們的亮度還達不到白熾燈、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 燈價格十分昂貴，非一般老百姓能享用的。

　　白光LED 技術突飛猛進，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)投放市場的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達到4400lm。

　　大功率照明用LED 其封裝從成品來看是單顆芯片的，其實是用N 顆LED 管芯封裝在一個單位里的。它們的排列組合是串并聯(lián)，它們是N 個串聯(lián)，再N 個并聯(lián)，然后由二點聯(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。

　　高亮度和大功率LED 照明燈進入家庭用在應用技術上還有技術瓶頸亟待解決，主要是芯片散熱(熱量管理)、發(fā)光亮度(流明)和EMI/EMC，成本下降也是一個關鍵問題。家庭照明用LED 驅(qū)動IC 技術還在攻堅中，驅(qū)動芯片需要采用700VBCD 高壓工藝；芯片內(nèi)的MOSFET 要做好熱量管理，要考慮驅(qū)動IC 的散熱設計；AC 到DC 恒流源各功能芯片整合在一個封裝內(nèi)的SoC 需要創(chuàng)新一個新的電源芯片模式。家用LED 照明燈樣品如圖4。

 　　近年MR16 射燈其發(fā)光源已從低效率的鹵素燈泡順利過度到綠色節(jié)能、高效、長壽命的LED IC。MR16 射燈使用12V 的AC-DC 電源，使得低電壓、大電流的LED 驅(qū)動IC 迅速進入燈具行業(yè)，降低了應用技術的門檻。AC12V 經(jīng)四個SS14 橋式整流即有14V～18V 的直流可供PT4115 LED 驅(qū)動IC 工作，可點亮一顆3W 或三顆1W 的高亮度LED IC，系統(tǒng)應用器件很少，是十分經(jīng)濟有效的方案。圖5 是PT4115 應用電原理圖，圖6 是MR16 射燈新恒流源板實物。

　　開關電源式恒流源可能是AC 到DC 恒流源比較有效的方法之一。開關電源的效率高達65%～85%。電源效率的提高使設備制造商得以將待機電流降低到Energy Star(能源之星)和Blue AngEL(藍天使)認證所需的水平。
　　家庭用的照明燈采用白光LED 是科技發(fā)展的必然趨勢。家庭用白光LED 照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長是不爭的事實，只是目前還需等待產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術成熟和成本的進一步下降。熒光節(jié)能燈從產(chǎn)品誕生到進入千家萬戶百姓家庭普及也差不多經(jīng)歷了十年的時間。家庭用照明燈的發(fā)光效率及平均壽命比較如表2。

　　 歐美等國在 2007 年2 月和3 月分別通過政府決議，在未來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 照明燈進入千家萬戶揭開序幕，其市場需求量將是一天文數(shù)字。集成電路和燈具廠商紛紛開始行動，奔向這個巨大市場。

　　大功率照明燈用 LED 制造技術突飛猛進，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)濟而有效地驅(qū)動大功率照明燈用LED 的芯片還需要更多的集成電路開發(fā)廠商投入，迎合未來市場的創(chuàng)新設計是贏得高利潤回報的先決條件，抓住機遇、發(fā)揮創(chuàng)造力、配合必要的財力和物力是企業(yè)成功的理念。