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背光及照明用LED驱动IC技术应用分析

发布时间:2017-06-05 00:56:35

  要:从技术和市场经济的角度对LED驱动IC的需求迅速增长作出分析,消费电子用LED驱动器的技术和市场比较成熟,家庭照明用LED驱动器还有技术瓶颈尚待突破。

关键词:LED驱动器,LED灯,LCD背光

  LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低,因而在手机、MP3MP4PMPDSC(数码相机)、PDAGPSPND、游戏机、学习机、笔记本计算机等的手持产品的LCD背光;LED手电筒、矿灯便携照明;在建筑照明、装饰照明、标识牌照明;在汽车的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯;以及将在家庭照明都会得到海量的应用。

  目前手机彩屏背光应用占LED驱动IC总出货比重的60%,除了按键与彩屏背光应用外,由于照相手机的普及,搭配LED省电与小型化的特性,手机相机闪光灯应用比重逐日提高,将占整体手机应用的35-40%。全球手机产量由2006年的8亿台增长到2007年的11亿台,增幅达40%2008年预计将生产15亿台。2007年中国手机出货量将增长21.9%,达5.58亿部 ,占据全球市场的一半左右 。按80%手机采用彩屏计算,2007年手机产品应用的LED驱动IC6亿颗规模。预估LED驱动IC在消费性电子产品市场将继续成倍增长。

  7-19英寸LCD屏原用CCFL作为背光,而现在也正在逐步地被LED所蚕食。特别是在欧盟实施RoHS的法令以后,含汞的CCFL被禁止,否则要付10美元的有害物质处理费,这将加快采用LED背光的步伐。在笔记本计算机等更大量产品的液晶屏中,采用LED背光也已成为一种趋势,因为它不但可以使屏幕的厚度减半(9mm降到4.5mm),重量减轻26%,而且还可以节省50%的耗电,其唯一的不足是目前成本比CCFL2.38美元,因能减轻重量和节电预计用户还是可以接受的。据统计,2007年有8%的笔记本计算机采用LED作为背光,而2007年笔记本计算机的预计产量为8,500万台,采用LED作为背光的笔记本计算机将达到680万台,这一数据还有望突破。LCD TV和笔记本计算机可望采用LED取代CCFL背光的趋势已经十分清晰。2009LED驱动IC出货量将达9.1亿颗,年复合成长率将达32%

LED驱动IC目前市场需求

  LED驱动IC目前市场需求按应用来分基本有三大类,一是用于消费性电子产品的,其应用特点是以电池为能源,一般为4.2-8.4V,因此低电压、小电流的LED驱动器是目前量大面广的产品;二是用于汽车照明产品,因其电源来自汽车蓄电池,一般是48V,所以需要较高电压降压的LED驱动IC;三是建筑装饰照明和家庭照明,则需要将AC能直接变换成DCLED驱动IC,主要功能是将交流电压转换为恒流电源,并同时完成与LED的电压和电流的匹配。因而不同应用的LED驱动IC是完全不同的。

  消费性电子产品的LED驱动器拥有比较成熟的技术、产品和相对成熟的市场。2007年全球手机市场使用LED驱动IC6亿颗,2008年将继续增长。

  汽车照明产品使用的LED等的数量较多,大多是串、并联驱动,需要较高的电压,对于取自48V汽车蓄电池的电源来说是十分方便的。目前能耐60V高压的LED驱动器新品推出已较多。因而在汽车前装市场直接采用LED的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯的市场十分看好和乐观。

  建筑装饰照明和家庭照明,则需要将AC能直接变换成DC恒流源的LED驱动IC,目前还不能提供单个SOC的集成电路产品,大多数是模块电路。建筑装饰照明在国内各大城市应用已十分广泛,节能效果显著。社会对家庭用LED照明灯需要量将是一个天文数字,但目前的家庭用LED照明灯技术和生产成本离大批量生产还有一定的距离,尚需努力。

LCD背光用LED工作原理

  要设计LED驱动的应用电路,首先要了解LED的工作原理。LED工作的主要参数是VFIF,其它相关的是颜色、波长、发光亮度、发光角度、效率、功耗。VF前降电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。IF前降电流是促使LED发光,发光亮度与流过的电流成正比例。LED VF标称电压:3.4V±0.2LED IF工作电流按应用需要选用,LED产品的IF5-500mA。以手机为例,手机键盘背光使用电流为5-10mALCD背光使用电流为15-20mA、相机闪光灯使用电流为100-500mA它们的IF都不相同,各档LED不能混用。

消费性电子产品常用LED驱动IC

  消费性电子产品LCD屏的背光一般是2-8LED灯,并联或单颗供电的应用居多。自2000年来,消费性电子产品常用LED驱动ICDC/DC开关稳压器(Boost)、电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant)和低压差稳压器(LDO)。

  DC/DC开关稳压器是用电感器来储存电能的,而电感器容易发射开关频率,易对射频(RF)发生新的干扰,因此在手机产品中用得较少。电荷泵也是一种开关稳压器,但它是用电容器作电能储能,因而不会发射开关频率,在手机产品中占了最大的份额。LED发光要求IF恒流,恒流源就是针对这个市场而特别设计、生产的,恒流源的价格是电荷泵的50%,因而近年来在普及型手机产品中也占有一定的份额。普及型手机产品苛求成本下降,手机背光驱动单元尚可榨油的就是降低LED驱动IC的成本,大多数手机的关机电压设计在电池电压降至3.3V时,因此恒流源就设计成在4.2V-3.3V时恒流输出20-30MmA3.3V以下输出电流急降。电荷泵的卖点是效率(η),但大多数电荷泵在4.2V-3.3V时其转换效率并不高,当电池电压降到3.0V-2.5V时它的转换效率能达85-90%,可惜在目前大多数的手机方案中并不能发挥其优势。LDO是一个性能很好的低压差稳压器,输出电压稳定,当负载不变时,它流过负载的电流也恒定,基于此原理的LDO也是一个很好的LED驱动器。就目前手机用LED驱动IC而言,一个DC/DCBoost)的售价是USD0.12-0.15,一个电荷泵的售价是USD0.20-0.25,一个恒流源的售价是0.09-0.12,一个LDO只几分美金,对于降低手机背光驱动单元成本,有一定的空间,今年来不少普及型手机都已选用。

手机除了彩屏背光需要LED驱动IC,手机的键盘背光,手机相机的闪光灯也需要LED驱动IC。其特点是低电压、小电流,因为是以电池为能源的。

  没有RF部分的消费电子产品的LCD屏背光驱动可以选用DC/DC开关稳压器,LED一般是N串联+N并联使用,工作电压略高,工作电流较小。多个LED的串并联可作较大的LCD屏背光源,如图3 LCD电子灯箱。此外,还有如LED手电筒。

移动手持显示产品背光LED驱动IC的选择

  移动手持显示产品背光LED驱动IC的选择,按LCD的面积来设定需要LED点光源的个数;按LEDNN并的点亮方式来选择不同工作原理、不同输出能力的LED驱动IC1.8”-3.5”手机用LCMLED点光源是2-4LED3.5”-8.0” MP3/MP4/PDP/GPS/PND/DPFLCMLED点光源是6-28LED12.1”-15.4”笔记本计算机用LCMLED点光源是48-60-72LED;手机有RF怕干扰,因此大多数不选用以电感器为电能储存器的DC/DC Boost;没有RF的消费电子产品,大多选用DC/DC Boost,因其能输出较高电压,和有较高效率;常用LED驱动IC有电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、电感升压开关稳压器( DC/DC Boost )。

家庭用LED照明灯驱动器

  家庭用的照明灯目前还没有成熟的产品,家庭用的照明灯的功率要求10W以上。目前市售的1-5W LED灯在家庭只能作为壁灯和辅助照明用,因为他们的亮度还达不到白炽灯、荧光节能灯的要求,还不能作为书写阅读照明用。现在的高亮度LED灯价格十分昂贵,非一般老百姓能享用的。

  白光LED技术突飞猛进,用作照明灯源的单颗芯片的LED,其功率越做越大,已经大批量生产投放市场的有1W3W5W10W20W30W50W100W,发光亮度最大已达到4400lm。大功率照明用LED其封装从成品来看是单颗芯片的,其实是用NLED管芯封装在一个单位里的(如图4)。它们的排列组合是串并联,它们是N个串联,再N个并联,然后由二点联接电源。大功率照明用LED的大批量生产给最终生产照明用LED灯创造了必须的条件和物质基础。