浅析LED及驱动IC、材料的技术市场

浅析LED及驱动IC、材料的技术市场

摘要：如有说在低迷的半导体产业中还有一些亮点，LED光源及其驱动器可以算做一个了。尤其在2008年的北京奥运中，光彩夺目的LED灯光秀让全世界都叹为观止，可谓将中国的LED显示技术划下一个完美的惊叹号。

    LED应用像早晨太阳

　　如有说在低迷的半导体产业中还有一些亮点，LED光源及其驱动器可以算做一个了。尤其在2008年的北京奥运中，光彩夺目的LED灯光秀让全世界都叹为观止，可谓将中国的LED显示技术划下一个完美的惊叹号。

　　最近几年是LED发展的生长期，主要有几大类应用：1，LED照明应用正如早晨六七点钟的太阳徐徐升起。LED灯具有绿色、节能、长寿命的特点，户外照明的动力来源于政府的节能及环保政策，广告灯饰来自企业买单，因此需求数量庞大，发展可观;室内照明作为千家万户都需要的海量产品，随着LED成本的进一步降低，发展潜力巨大。2，LED背光应用涉及到人们日常应用的手机、MP3、NB(笔记本电脑)等便携式产品，到电视等大型消费电子的LCD屏。3，LED汽车照明，主要是车前后灯应用，尤其究高能效汽车的兴起，使之升温。除此之外，还有工业照明、照相机闪光灯等特殊应用。

　　因此，隶属半导体产业的LED光源及其驱动IC技术发展迅猛。目前全球白光LED光源专利主要掌握厂商为日本的Nichia、TG，美国的Cree及欧洲的Philip和欧司朗[1]。LED产业也不知不觉间进入了我们的视野，成就了很多新厂商，例如Lighthouse(兆光科技)成立只有11年，已经成为全球领先的LED显示屏供应商，我国知名的LED显示屏制造商北京利亚德(Leyard) 为北京奥运会开幕式的画卷搭配了***省聚积科技57万块驱动芯片——MBI5030，韩国Seoul半导体、Diodes Zetex(注：Diodes收购了Zetex)、Leadis等公司也日益壮大。

　　图1　照片来源：北京利亚德

　　“中国的LED市场目前看来还是比较分散，主要集中在标识、信号、移动以及照明应用方面。中国的LED市场份额还比较小，但是在过去几年保持了非常快的增长速度。”道康宁电子产品工业部光学材料全球市场总监Billy Han说，“LED行业的发展相当迅速，特别是在照明领域，而成本的竞争力是非常重要的。鉴于此，预计中国的LED行业将会继续保持高于行业平均的增长速度成长。”

　　照片：道康宁电子产品工业部光学材料全球市场总监Billy Han

　　照明的四个驱动力

　　@环保节能

　　LED最主要的应用还有路灯和普通的照明灯。因为LED的省电效能是白炽灯的20倍，荧光灯的5倍。“传统的钨丝灯、高放电电流灯泡(HID)和冷阴极萤光灯(CCFL)将会被淘汰，取而代之的是能耗较低、公害较少的LED灯。”美国国家半导体(NS)中国区业务总经理何贤斌指出。因为LED不含任何危险材料，不像CFL在其灯管内部存在有毒的汞蒸气，可谓“绿色环保”。

　　照片 NS中国区业务总经理何贤斌

　　美国能源部指出：照明所消耗的能量占美国年发电量的22%，因此LED的节能作用颇具意义。LED照明的广泛使用将使此项能耗下降50%。如果客观地考虑到这一点，那么到2027年，LED照明所实现的年度能耗减少量将相当于5亿桶石油，同时还减少了二氧化碳的排放量。

　　@LED光输出

　　高功率LED的光输出已经实现了具有重要里程碑意义的100流明/瓦，有的制造商甚至声称其LED光输出达到了120流明/瓦。这意味着，就能量效率而言，LED如今已经超越了CFL(其光输出为80流明/瓦)。据预测，到2012年，LED的光输出将达到150流明/瓦。

　　@LED成本下降

　　“价格是一个关键的因素，特别是在中国市场。”Diodes Zetex公司亚太区技术市场总监梁后权说。Intersil工业和通信电源部市场行销经理Robert L.Lucas说，目前照明用单LED每个2美元，相比之下，LED的驱动价格倒显得不贵。如果有机会使LED的价格大幅下调的话，LED普及问题可以迎刃而解。Power Integrations公司(简称PI)对此也有同感，市场营销副总裁Doug Bailey认为普通LED照明市场所面临的主要障碍是，还无法证明其整体拥有成本(TCO)与其他照明产品(白炽灯、卤素灯、LFL/CFL等)相比具有竞争优势。如果你的产品具有非常长的使用寿命(35～50～100K小时)并采用高效驱动器的话，那么问题就解决。效率高出10%、使用寿命为50K小时的10W LED驱动器可以节省10美元的电费。节省的这笔费用可以降低TCO，从而使LED灯的优势凸现出来。

　　照片 Diodes Zetex公司亚太区技术市场总监梁后权

　　Intersil工业和通信电源部市场行销经理Robert L.Lucas

　　PI市场营销副总裁Doug Bailey

　　不过，“LED照明的成本下降得非常快。”凌力尔特公司电源产品部产品市场主管Tony Armstrong举例说，“Polybrite公司 (一家采用LED技术的照明产品领先供应商) 指出：在过去的12个月里，个别白光二极管 (某些已被LED灯泡所采用并占据其大部分成本) 的价格已经从8美元降至1.50美元。他们进一步预测，在2009年，用LED灯泡替换白炽灯泡的价位将为消费者所接受。”

　　照片 凌力尔特公司电源产品部产品市场主管Tony Armstrong

　　@应用升温

　　LED的应用以照明和背光为主，除此之外，还有汽车车灯应用。

　　其中大型LED显示屏增长最快。据DIGITIMES的预估，大型LED显示屏用LED产值2008年至2010年分别为11.8亿、16.4亿、23.2亿美元，年成长率分别为34.1%、39%、41.5%，可谓是LED众应用领域当中，年成长率最显著的产品。

　　由于LED显示屏采用了低电压扫描驱动，具有耗电省、寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点，可以满足各种不同应用场景的需求，即便是在太阳光直射下，屏幕也可以调整自身亮度来适应高亮度环境的需求。

　　此外，外形技术的突破也将进一步拓宽LED显示屏的应用领域。在外形变化方面，LED显示屏的形状也不仅仅局限于传统的方形;随着不同应用需要，LED显示屏也可设计成不同的形状。比如，链条状LED显示屏，突破传统LED显示器设置场所限制，其可绕在圆柱上、铺在弯曲阶梯、或如瀑布般垂下等。同时LED显示屏随着技术的进步，也正朝着不断减小像素间距的方向发展，这些都将使得LED显示屏的成长潜力不可限量。

　　高亮LED及驱动技术动向

　　高亮度LED(HB LED)成为2009年的热门话题，近来在各个领域得到了广泛应用，其中包括LCD背光模组，汽车照明，普通照明以及半导体照明，这些应用使得高亮度LED未来5年的成长前景相当乐观。“我们估计年均复合增长率为20%。”道康宁的Billy说道。

　　高亮度(HB)LED的最新趋势是大功率、更高的流明/瓦特，以及更高的光电效率。Diodes Zetex公司亚太区技术市场总监梁后权解释说，白光或暖白光高亮度LED是室内照明的最佳选择，而RGB高亮度LED则适用于装饰及情调照明。高亮度LED的另一个市场是汽车的车头及车尾灯。虽然HID灯及传统的电灯泡仍然主导该市场，不过高亮度LED应用拥有更好色温及更长使用寿命的优点，所以逐渐在中国普及起来。

　　众所周知，高亮度LED系统的热性能是设计人员的重要考虑。这是由于LED应用与一般灯泡及低强度的3或5mm轴向LED不同，它所产生的热量非常低。灯泡也会产生大量热能，但这并不会构成任何问题。但是，高亮度LED产生过多热度时，热能需要在最短时间内散去，以避免对LED造成损害。因此，从设计的角度来讲，系统的热量问题是一项重大的挑战。梁后权说:“Diodes Zetex的高亮度LED驱动器的操作温度可维持于世界级的125℃。凭藉此优势，整体系统的可靠性能够在高操作温度下提升。这个特性是照明系统——特别是高亮度LED照明系统的必要条件。”

　　由于高亮度LED的使用寿命长达5万小时，所以高亮度LED系统设计人员一直都需要寻求可靠的设计。系统的具体考虑包括光电效率、流明/瓦特、色温漂移、光强度随时日衰减的情况，以及封装的热阻性。此外，设计人员也一直寻求高正向电压、高色温及高强度的高亮度LED。这些参数对系统的可视功能发挥着重大的作用。市场需要的LED驱动器需拥有细小、低热阻的封装，并具有高可靠性、高效率，还有良好的LED调光功能，如高调光比的PWM及DC调光功能。

　　另一项挑战可说是系统的光学设计，因为这涉及各种各样的参数，例如外壳、透镜及反射镜的用料及设计，甚至是LED的观看角度。系统的整体效率则是最终的考验。低效率的系统会造成很多问题，例如过热、缩短使用寿命、降低可靠性，更严重的问题是周边温度上升，使高亮度LED的光衰弱加深。因此，这为LED 驱动器厂商提出了挑战。Diodes Zetex称能够帮助设计人员克服这些问题，包括提供评估板、应用及设计资料、模拟模型和Excel计算器，并由经验丰富的应用工程人员为客户提供协助，可显著缩减设计周期。

　　亮度调节方面需要微控制器驱动器。因为高级LED灯具设备需要通过控制LED的电流和实时监测设备的智能驱动电子技术来实现。因为LED本身并不能像传统白炽灯和荧光灯一样发出高亮度的白光。并且当今绝大多数基于LED的设备要求实现能够随时间而变化的光线输出。这些特性和要求给很多照明制造厂商带来困扰。“Cypress可以提供特殊的方案帮助解决这些问题，”Cypress公关总监Donald Parkman说，“使用我们的软件设计人员可以轻松编写程序，确保LED 保持精准的颜色和强度输出。”

　　照片 Cypress公关总监Donald Parkman

　　DC LED光源及其驱动IC的设计、生产技术都已日益完善，价格呈每年20%～30%的下降，为LED灯具的广泛应用创造了良好的氛围。华润矽威科技有限公司的高工颜重光介绍道，AC LED还是刚刚起步的新产品[2]，性能还需要完善，目前的价格离民用水平还有很大差距，可能还要几年的时间才能达到今天DC LED的水平。不过，很多驱动器厂家没有考虑做DC LED。对此，Intersil的Robert解释说，首尔半导体等公司采用AC LED的原因是该公司也同时做LED光源，因此直接做用AC驱动LED的方案。但大部分独立的IC厂商仍然采用直流的驱动器方案，好处是AC和DC隔离开来，这样可以起到保护LED消费端的作用。例如，Intersil的方案能支持110～220V交流电，最高耐压可达277V。

　　照片 华润矽威的高工颜重光

　　*照明用单LED驱动器将保持增长势头

　　由于LED驱动器需要集成到单个灯体中，PI公司认为对LED驱动器的主要要求如下：

　　* 效率更高，以降低灯内的功率耗散并使LED驱动器能够在可接受的温度下进行工作;

　　* 具备功率因数校正电路，以满足新出台的能源之星规范;

　　* 外形尺寸小，以便装入灯壳内;

　　* 优先采用隔离式设计方案，更容易符合安全要求;

　　* 在现行要求下，普通照明用单LED芯片将继续保持增长势头(使得LED灯更难满足高能效要求)。

　　不过，中国虽然目前的LED设计活动非常活跃。但大部分的设计活动是针对欧美市场的，并非针对本国市场。

　　部分LED驱动器及调光方案

　　安森美：多样的LED驱动器及调光芯片

　　包括多样化的元件驱动LED及调光。“每瓦流明数不断提升的LED技术在2009年将继续向前推进，恒流驱动架构是驱动LED的关键。”安森美半导体亚太区电源管理部市场推广经理蒋家亮说，“此外，要实现强固的LED驱动产品，需要采用系统导向的方法，考虑光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等多种因素。”

　　安森美专注于运用低电压和高电压技术，以及在电源管理方面的专长，不断推出领先的技术和产品，例如最新的CAT3224驱动器，是业界首款4A单芯片LED驱动器，为基于超级电容的LED相机闪光和工业应用提供高强度LED闪光能力，在这些应用中LED被用于替代氙气闪光。

　　安森美的LED驱动电源解决方案产品系列，满足从高压离线型AC-DC开关电源到宽输入范围的中等电压LED电源，以及便携产品背光和闪光驱动应用的广泛需求。

　　例如离线式PWM开关稳压器NCP1014/1028，含集成的700V高压MOSFET，具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(EMI)信号以及内置热关闭保护等特性，适合于LED镇流器、建筑物照明、显示器背光、标志和通道照明及作业灯等应用。或替代E27/GU10灯。

　　照片 安森美亚太区电源管理部市场推广经理蒋家亮

　　华润矽威：将推出E27灯方案

　　华润矽威在2006年已量产LED驱动IC。PT4115、PT4107已被国内外客户用于大批量生产各种LED灯具。2008年起向客户提供可直接用于LED灯具生产的MR16、LED日光灯、LED吸顶灯等方案的DEMO板、BOM、PCB板图;2009年推出可直接用于E27 LED灯具生产方案的DEMO板、BOM、PCB板图;还有不少新的系统应用方案在设计中，如LED路灯、太阳能LED灯等。

　　聚积科技：首款内建16位PWM的LED驱动器

　　MBI5030号称是业内第一款内建16位元PWM的智能型LED驱动芯片，可建立最高达65,536种灰阶应用的全彩显示屏，足以提供较宽影像处理能力，符合高阶的LED显示屏对于色彩表现、灰阶表现的高规格要求。此外，MBI5030改善传统PWM的功能，将一个影像导通的时间分散成数个较短的导通时间，以增加整体的视觉更新率，最高可达7680Hz (@ GCLK=8MHz )，能够让高速摄影机在拍摄时不闪烁地捕捉画面。

　　PI：可靠性和集成度高

　　该公司IC具有极高的可靠性，其失效率(FIT)约为1。PI的电源IC采用开/关或多模式控制，能提高驱动器的能效水平。此外，PI产品还可减少对外部元件数量的要求，从而延长驱动器的平均无故障时间(MTBF)。只使用15个外部元件完全可以设计出350 mA, 12 V的LED驱动器。

　　ST：太阳能LED街灯

　　ST在今年2月推出了太阳能LED(Solar LED)街灯(照片1)，并在与合作伙伴共同推广。整体方案由两个模块构成：一个85W太阳能充电器和一个25W发光二极管驱动器，节能并提高照明效果。

　　照片1 ST的太阳能街灯方案

　　NS：RGB背光手机屏：

　　NS介绍一个该公司的新技术——RGB(红绿蓝)背光驱动，代替通常的手机白光驱动。据NS公司亚太区电源产品市场总监黄汉基介绍，白光背光的缺点是没法做到纯白，这样图像颜色就不够真实。而RGB的好处是能够达到100%色域，可以让图像更加的明亮。而且能保证在任何状况下达到比较稳定的效果。另外，白光驱动还有较大的能耗;但RGB加上高性能滤波器后，能达到良好的节能效果。图1显示了白光LED背光灯和RGB光LED背光灯显示器的比较。

　　图1 白光LED背光灯和RGB光LED背光灯显示器的比较

　　图2 RGB比白光背光更节能

　　道康宁：硅基密封材料

　　作为LED行业重要的技术目标，光输出率是极为重要的。道康宁认为硅基密封材料(照片2)具有巨大的潜力，因为其更高的折射率(>1.5RI)，因此对于推广LED在高性能领域的应用有着极其重要的作用。

　　照片2 可塑成型硅胶

　　硅基密封材料不但能够保护LED免受自然环境的侵害，还能帮助控制光输出率，并且提高在从低到高工作温度(-40～150℃)下的长期稳定性。相比环氧化合物材料，硅基密封材料能承受更高的LED工作温度。硅基密封材料的优点还包括高透光率，与多种材料极佳的粘附性，低吸湿性，同时还能满足更加广泛的硬度和粘性要求。