背光及照明用LED驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)分析

    led 作為綠色環(huán)保的清潔光源得到廣泛的認(rèn)可。LED 使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能省電、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便、使用成本低，因而在手機(jī)、MP3、MP4、PMP、DSC(數(shù)碼相機(jī))、PDA、GPS、PND、游戲機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、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(biāo)識(shí)牌照明；在汽車(chē)的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車(chē)燈、方向燈、尾燈；以及在家庭照明都會(huì)得到海量的應(yīng)用。

　　目前手機(jī)彩屏背光應(yīng)用占LED驅(qū)動(dòng)IC 總出貨比重的60%，除了按鍵與彩屏背光應(yīng)用外，由于照相手機(jī)的普及，搭配LED 省電與小型化的特性，手機(jī)相機(jī)閃光燈應(yīng)用比重逐日提高，將占整體手機(jī)應(yīng)用的35%～40%。全球手機(jī)產(chǎn)量由2006 年的8 億部增長(zhǎng)到2007 年的11 億部，增幅達(dá)40%，2008 年預(yù)計(jì)將生產(chǎn)15 億部。2007 年中國(guó)手機(jī)出貨量增長(zhǎng)21.9%，達(dá)5.58億部，占據(jù)全球市場(chǎng)的一半左右。按80%手機(jī)采用彩屏計(jì)算，2007 年手機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)IC 達(dá)6 億顆。預(yù)估LED 驅(qū)動(dòng)IC 在消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)將繼續(xù)成倍增長(zhǎng)。

　　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(shí)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(fèi)，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(shì)，因?yàn)樗坏梢允蛊聊坏暮穸葴p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(yù)計(jì)用戶還是可以接受的。據(jù)估計(jì)，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(yù)計(jì)產(chǎn)量為8500 萬(wàn)臺(tái)，采用LED 作為背光的筆記本電腦將達(dá)到680 萬(wàn)臺(tái)，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(shì)已經(jīng)十分清晰。2009 年LED 驅(qū)動(dòng)IC 出貨量將達(dá)9.1 億顆，年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)32%。
LED 驅(qū)動(dòng)IC 的市場(chǎng)需求

　　LED 驅(qū)動(dòng)IC 的市場(chǎng)需求按應(yīng)用來(lái)分基本有三大類，一是用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品的，其應(yīng)用特點(diǎn)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(dòng)器是目前量大面廣的產(chǎn)品；二是用于汽車(chē)照明產(chǎn)品，因其電源來(lái)自汽車(chē)蓄電池，一般是48V，所以需要較高電壓降壓的LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC，主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，并同時(shí)完成與LED 的電壓和電流的匹配。因而不同應(yīng)用的LED 驅(qū)動(dòng)IC 是完全不同的。

　　消費(fèi)性電子產(chǎn)品的LED 驅(qū)動(dòng)器擁有比較成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和相對(duì)成熟的市場(chǎng)。汽車(chē)照明產(chǎn)品使用的LED 數(shù)量較多，大多是串、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，需要較高的電壓，對(duì)于取自48V 汽車(chē)蓄電池的電源來(lái)說(shuō)是十分方便的。目前能耐60V 高壓的LED 驅(qū)動(dòng)器新品已推出較多，因而在汽車(chē)前裝市場(chǎng)直接采用LED 的儀表板背光、前后霧燈、第三剎車(chē)燈、方向燈、尾燈的市場(chǎng)十分看好和樂(lè)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(dòng)IC，目前還不能提供單個(gè)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(guó)內(nèi)各大城市應(yīng)用已十分廣泛，節(jié)能效果顯著。社會(huì)對(duì)家庭用LED 照明燈需要量將是一個(gè)天文數(shù)字，但目前的家庭用LED 照明燈技術(shù)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(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)的應(yīng)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(guān)的是顏色、波長(zhǎng)、發(fā)光亮度、發(fā)光角度、效率、功耗。VF 前降電壓是為L(zhǎng)ED 發(fā)光建立一個(gè)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(guò)的電流成正比例。LED VF 的標(biāo)稱電壓一般為3.4V±0.2V。工作電流IF 按應(yīng)用需要選用，LED 的IF 通常為5mA~500mA。以手機(jī)為例，手機(jī)鍵盤(pán)背光使用電流為5mA~10mA，LCD 背光使用電流為15mA~20mA，相機(jī)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(fèi)性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動(dòng)IC
　　消費(fèi)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(yīng)用居多。自2000 年以來(lái)，消費(fèi)性電子產(chǎn)品常用LED 驅(qū)動(dòng)IC 有DC/DC 開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是用電感器儲(chǔ)存電能的，而電感器容易發(fā)射開(kāi)關(guān)頻率，易對(duì)射頻(RF)發(fā)生新的干擾，因此在手機(jī)產(chǎn)品中用得較少。電荷泵也是一種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，但它是用電容器作電能儲(chǔ)能，因而不會(huì)發(fā)射開(kāi)關(guān)頻率，在手機(jī)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(duì)這個(gè)市場(chǎng)而特別設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的，恒流源的價(jià)格是電荷泵的50%，因而近年來(lái)在普及型手機(jī)產(chǎn)品中也占有一定的份額。普及型手機(jī)產(chǎn)品對(duì)成本的要求很苛刻，手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)單元尚可榨油的就是降低LED 驅(qū)動(dòng)IC 的成本，大多數(shù)手機(jī)的關(guān)機(jī)電壓設(shè)計(jì)在電池
電壓降至3.3V 時(shí)，因此恒流源就設(shè)計(jì)成在4.2V~3.3V 時(shí)恒流輸出20mA~30mA，3.3V 以下輸出電流急降。電荷泵的賣(mài)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高(η)，但大多數(shù)電荷泵在4.2V~3.3V 時(shí)其轉(zhuǎn)換效率并不高，當(dāng)電池電壓降到3.0V~2.5V 時(shí)它的轉(zhuǎn)換效率能達(dá)85%~90%，可惜在目前大多數(shù)的手機(jī)方案中并不能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。LDO 是一個(gè)性能很好的低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，它流過(guò)負(fù)載的電流也恒定，基于此原理LDO 也是一個(gè)很好的LED 驅(qū)動(dòng)器。[!--empirenews.page--]

    就目前手機(jī)用 LED 驅(qū)動(dòng)IC 而言，一個(gè)DC/DC(Boost)的售價(jià)是0.12 美元～ 0.15 美元,一個(gè)電荷泵的售價(jià)是0.20 美元～0.25 美元,一個(gè)恒流源的售價(jià)是0.09 美元～0.12 美元，一個(gè)LDO 只有幾美分，對(duì)于降低手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)單元成本，有一定的空間，今年來(lái)不少普及型手機(jī)都已選用。手機(jī)背光LED 驅(qū)動(dòng)芯片的演變?nèi)鐖D1 所示，手機(jī)LCD 背光如圖2 所示。

　　手機(jī)除了彩屏背光需要LED 驅(qū)動(dòng)IC，手機(jī)的鍵盤(pán)背光，手機(jī)相機(jī)的閃光燈也需要LED驅(qū)動(dòng)IC。其特點(diǎn)是低電壓、小電流，因?yàn)槭且噪姵貫槟茉吹摹?/p>

　　沒(méi)有RF 部分的消費(fèi)電子產(chǎn)品的LCD 屏背光驅(qū)動(dòng)可以選用DC/DC 開(kāi)關(guān)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(gè)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(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇

　　移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇，按LCD 的面積來(lái)設(shè)定需要LED 點(diǎn)光源的個(gè)數(shù)；按LED 的N 串N 并的點(diǎn)亮方式來(lái)選擇不同工作原理、不同輸出能力的LED 驅(qū)動(dòng)IC；1.8英寸～3.5 英寸手機(jī)用LCM 其LED 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)光源是48 顆～60 顆、60 顆～72 顆LED；手機(jī)有RF 怕干擾，因此大多數(shù)不選用以電感器為電能儲(chǔ)存器的DC/DC Boost；沒(méi)有RF 的消費(fèi)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(dòng)IC 的有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(DC/DC Boost )。背光LED 驅(qū)動(dòng)IC 的選擇如表1。

    家庭用LED 照明燈驅(qū)動(dòng)器

　　家庭用的照明燈目前還沒(méi)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?yàn)樗鼈兊牧炼冗€達(dá)不到白熾燈、熒光節(jié)能燈的要求，還不能作為書(shū)寫(xiě)閱讀照明用?，F(xiàn)在的高亮度LED 燈價(jià)格十分昂貴，非一般老百姓能享用的。

　　白光LED 技術(shù)突飛猛進(jìn)，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(chǎng)的有1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，發(fā)光亮度最大已達(dá)到4400lm。

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

　　高亮度和大功率LED 照明燈進(jìn)入家庭用在應(yīng)用技術(shù)上還有技術(shù)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。家庭照明用LED 驅(qū)動(dòng)IC 技術(shù)還在攻堅(jiān)中，驅(qū)動(dòng)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(dòng)IC 的散熱設(shè)計(jì)；AC 到DC 恒流源各功能芯片整合在一個(gè)封裝內(nèi)的SoC 需要?jiǎng)?chuàng)新一個(gè)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?zé)襞蓓樌^(guò)度到綠色節(jié)能、高效、長(zhǎng)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(dòng)IC 迅速進(jìn)入燈具行業(yè)，降低了應(yīng)用技術(shù)的門(mén)檻。AC12V 經(jīng)四個(gè)SS14 橋式整流即有14V～18V 的直流可供PT4115 LED 驅(qū)動(dòng)IC 工作，可點(diǎn)亮一顆3W 或三顆1W 的高亮度LED IC，系統(tǒng)應(yīng)用器件很少，是十分經(jīng)濟(jì)有效的方案。圖5 是PT4115 應(yīng)用電原理圖，圖6 是MR16 射燈新恒流源板實(shí)物。

　　開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源的效率高達(dá)65%～85%。電源效率的提高使設(shè)備制造商得以將待機(jī)電流降低到Energy Star(能源之星)和Blue AngEL(藍(lán)天使)認(rèn)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(shì)。家庭用白光LED 照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，只是目前還需等待產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)成熟和成本的進(jìn)一步下降。熒光節(jié)能燈從產(chǎn)品誕生到進(jìn)入千家萬(wàn)戶百姓家庭普及也差不多經(jīng)歷了十年的時(shí)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(guó)在 2007 年2 月和3 月分別通過(guò)政府決議，在未來(lái)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(jìn)入千家萬(wàn)戶揭開(kāi)序幕，其市場(chǎng)需求量將是一天文數(shù)字。集成電路和燈具廠商紛紛開(kāi)始行動(dòng)，奔向這個(gè)巨大市場(chǎng)。

　　大功率照明燈用 LED 制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，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(jì)而有效地驅(qū)動(dòng)大功率照明燈用LED 的芯片還需要更多的集成電路開(kāi)發(fā)廠商投入，迎合未來(lái)市場(chǎng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是贏得高利潤(rùn)回報(bào)的先決條件，抓住機(jī)遇、發(fā)揮創(chuàng)造力、配合必要的財(cái)力和物力是企業(yè)成功的理念。