淺析LED及驅動IC、材料的技術市場

摘要：如有說在低迷的半導體產業中還有一些亮點，LED光源及其驅動器可以算做一個了。尤其在2008年的北京奧運中，光彩奪目的LED燈光秀讓全世界都嘆為觀止，可謂將中國的LED顯示技術劃下一個完美的驚嘆號。

??? LED應用像早晨太陽

　　如有說在低迷的半導體產業中還有一些亮點，LED光源及其驅動器可以算做一個了。尤其在2008年的北京奧運中，光彩奪目的LED燈光秀讓全世界都嘆為觀止，可謂將中國的LED顯示技術劃下一個完美的驚嘆號。

　　最近幾年是LED發展的生長期，主要有幾大類應用：1，LED照明應用正如早晨六七點鐘的太陽徐徐升起。LED燈具有綠色、節能、長壽命的特點，戶外照明的動力來源于政府的節能及環保政策，廣告燈飾來自企業買單，因此需求數量龐大，發展可觀;室內照明作為千家萬戶都需要的海量產品，隨著LED成本的進一步降低，發展潛力巨大。2，LED背光應用涉及到人們日常應用的手機、MP3、NB(筆記本電腦)等便攜式產品，到電視等大型消費電子的LCD屏。3，LED汽車照明，主要是車前后燈應用，尤其究高能效汽車的興起，使之升溫。除此之外，還有工業照明、照相機閃光燈等特殊應用。

　　因此，隸屬半導體產業的LED光源及其驅動IC技術發展迅猛。目前全球白光LED光源專利主要掌握廠商為日本的Nichia、TG，美國的Cree及歐洲的Philip和歐司朗[1]。LED產業也不知不覺間進入了我們的視野，成就了很多新廠商，例如Lighthouse(兆光科技)成立只有11年，已經成為全球領先的LED顯示屏供應商，我國知名的LED顯示屏制造商北京利亞德(Leyard) 為北京奧運會開幕式的畫卷搭配了***省聚積科技57萬塊驅動芯片——MBI5030，韓國Seoul半導體、Diodes Zetex(注：Diodes收購了Zetex)、Leadis等公司也日益壯大。

　　圖1　照片來源：北京利亞德

　　“中國的LED市場目前看來還是比較分散，主要集中在標識、信號、移動以及照明應用方面。中國的LED市場份額還比較小，但是在過去幾年保持了非常快的增長速度。”道康寧電子產品工業部光學材料全球市場總監Billy Han說，“LED行業的發展相當迅速，特別是在照明領域，而成本的競爭力是非常重要的。鑒于此，預計中國的LED行業將會繼續保持高于行業平均的增長速度成長。”

　　照片：道康寧電子產品工業部光學材料全球市場總監Billy Han

　　照明的四個驅動力

　　@環保節能

　　LED最主要的應用還有路燈和普通的照明燈。因為LED的省電效能是白熾燈的20倍，熒光燈的5倍。“傳統的鎢絲燈、高放電電流燈泡(HID)和冷陰極螢光燈(CCFL)將會被淘汰，取而代之的是能耗較低、公害較少的LED燈。”美國國家半導體(NS)中國區業務總經理何賢斌指出。因為LED不含任何危險材料，不像CFL在其燈管內部存在有毒的汞蒸氣，可謂“綠色環保”。

　　照片 NS中國區業務總經理何賢斌

　　美國能源部指出：照明所消耗的能量占美國年發電量的22%，因此LED的節能作用頗具意義。LED照明的廣泛使用將使此項能耗下降50%。如果客觀地考慮到這一點，那么到2027年，LED照明所實現的年度能耗減少量將相當于5億桶石油，同時還減少了二氧化碳的排放量。

　　@LED光輸出

　　高功率LED的光輸出已經實現了具有重要里程碑意義的100流明/瓦，有的制造商甚至聲稱其LED光輸出達到了120流明/瓦。這意味著，就能量效率而言，LED如今已經超越了CFL(其光輸出為80流明/瓦)。據預測，到2012年，LED的光輸出將達到150流明/瓦。

　　@LED成本下降

　　“價格是一個關鍵的因素，特別是在中國市場。”Diodes Zetex公司亞太區技術市場總監梁后權說。Intersil工業和通信電源部市場行銷經理Robert L.Lucas說，目前照明用單LED每個2美元，相比之下，LED的驅動價格倒顯得不貴。如果有機會使LED的價格大幅下調的話，LED普及問題可以迎刃而解。Power Integrations公司(簡稱PI)對此也有同感，市場營銷副總裁Doug Bailey認為普通LED照明市場所面臨的主要障礙是，還無法證明其整體擁有成本(TCO)與其他照明產品(白熾燈、鹵素燈、LFL/CFL等)相比具有競爭優勢。如果你的產品具有非常長的使用壽命(35～50～100K小時)并采用高效驅動器的話，那么問題就解決。效率高出10%、使用壽命為50K小時的10W LED驅動器可以節省10美元的電費。節省的這筆費用可以降低TCO，從而使LED燈的優勢凸現出來。

　　照片 Diodes Zetex公司亞太區技術市場總監梁后權

　　Intersil工業和通信電源部市場行銷經理Robert L.Lucas

　　PI市場營銷副總裁Doug Bailey

　　不過，“LED照明的成本下降得非常快。”凌力爾特公司電源產品部產品市場主管Tony Armstrong舉例說，“Polybrite公司 (一家采用LED技術的照明產品領先供應商) 指出：在過去的12個月里，個別白光二極管 (某些已被LED燈泡所采用并占據其大部分成本) 的價格已經從8美元降至1.50美元。他們進一步預測，在2009年，用LED燈泡替換白熾燈泡的價位將為消費者所接受。”

　　照片 凌力爾特公司電源產品部產品市場主管Tony Armstrong

　　@應用升溫

　　LED的應用以照明和背光為主，除此之外，還有汽車車燈應用。

　　其中大型LED顯示屏增長最快。據DIGITIMES的預估，大型LED顯示屏用LED產值2008年至2010年分別為11.8億、16.4億、23.2億美元，年成長率分別為34.1%、39%、41.5%，可謂是LED眾應用領域當中，年成長率最顯著的產品。

　　由于LED顯示屏采用了低電壓掃描驅動，具有耗電省、壽命長、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠、防水、規格品種多等優點，可以滿足各種不同應用場景的需求，即便是在太陽光直射下，屏幕也可以調整自身亮度來適應高亮度環境的需求。

　　此外，外形技術的突破也將進一步拓寬LED顯示屏的應用領域。在外形變化方面，LED顯示屏的形狀也不僅僅局限于傳統的方形;隨著不同應用需要，LED顯示屏也可設計成不同的形狀。比如，鏈條狀LED顯示屏，突破傳統LED顯示器設置場所限制，其可繞在圓柱上、鋪在彎曲階梯、或如瀑布般垂下等。同時LED顯示屏隨著技術的進步，也正朝著不斷減小像素間距的方向發展，這些都將使得LED顯示屏的成長潛力不可限量。

　　高亮LED及驅動技術動向

　　高亮度LED(HB LED)成為2009年的熱門話題，近來在各個領域得到了廣泛應用，其中包括LCD背光模組，汽車照明，普通照明以及半導體照明，這些應用使得高亮度LED未來5年的成長前景相當樂觀。“我們估計年均復合增長率為20%。”道康寧的Billy說道。

　　高亮度(HB)LED的最新趨勢是大功率、更高的流明/瓦特，以及更高的光電效率。Diodes Zetex公司亞太區技術市場總監梁后權解釋說，白光或暖白光高亮度LED是室內照明的最佳選擇，而RGB高亮度LED則適用于裝飾及情調照明。高亮度LED的另一個市場是汽車的車頭及車尾燈。雖然HID燈及傳統的電燈泡仍然主導該市場，不過高亮度LED應用擁有更好色溫及更長使用壽命的優點，所以逐漸在中國普及起來。

　　眾所周知，高亮度LED系統的熱性能是設計人員的重要考慮。這是由于LED應用與一般燈泡及低強度的3或5mm軸向LED不同，它所產生的熱量非常低。燈泡也會產生大量熱能，但這并不會構成任何問題。但是，高亮度LED產生過多熱度時，熱能需要在最短時間內散去，以避免對LED造成損害。因此，從設計的角度來講，系統的熱量問題是一項重大的挑戰。梁后權說:“Diodes Zetex的高亮度LED驅動器的操作溫度可維持于世界級的125℃。憑藉此優勢，整體系統的可靠性能夠在高操作溫度下提升。這個特性是照明系統——特別是高亮度LED照明系統的必要條件。”

　　由于高亮度LED的使用壽命長達5萬小時，所以高亮度LED系統設計人員一直都需要尋求可靠的設計。系統的具體考慮包括光電效率、流明/瓦特、色溫漂移、光強度隨時日衰減的情況，以及封裝的熱阻性。此外，設計人員也一直尋求高正向電壓、高色溫及高強度的高亮度LED。這些參數對系統的可視功能發揮著重大的作用。市場需要的LED驅動器需擁有細小、低熱阻的封裝，并具有高可靠性、高效率，還有良好的LED調光功能，如高調光比的PWM及DC調光功能。

　　另一項挑戰可說是系統的光學設計，因為這涉及各種各樣的參數，例如外殼、透鏡及反射鏡的用料及設計，甚至是LED的觀看角度。系統的整體效率則是最終的考驗。低效率的系統會造成很多問題，例如過熱、縮短使用壽命、降低可靠性，更嚴重的問題是周邊溫度上升，使高亮度LED的光衰弱加深。因此，這為LED 驅動器廠商提出了挑戰。Diodes Zetex稱能夠幫助設計人員克服這些問題，包括提供評估板、應用及設計資料、模擬模型和Excel計算器，并由經驗豐富的應用工程人員為客戶提供協助，可顯著縮減設計周期。

　　亮度調節方面需要微控制器驅動器。因為高級LED燈具設備需要通過控制LED的電流和實時監測設備的智能驅動電子技術來實現。因為LED本身并不能像傳統白熾燈和熒光燈一樣發出高亮度的白光。并且當今絕大多數基于LED的設備要求實現能夠隨時間而變化的光線輸出。這些特性和要求給很多照明制造廠商帶來困擾。“Cypress可以提供特殊的方案幫助解決這些問題，”Cypress公關總監Donald Parkman說，“使用我們的軟件設計人員可以輕松編寫程序，確保LED 保持精準的顏色和強度輸出。”

　　照片 Cypress公關總監Donald Parkman

　　DC LED光源及其驅動IC的設計、生產技術都已日益完善，價格呈每年20%～30%的下降，為LED燈具的廣泛應用創造了良好的氛圍。華潤矽威科技有限公司的高工顏重光介紹道，AC LED還是剛剛起步的新產品[2]，性能還需要完善，目前的價格離民用水平還有很大差距，可能還要幾年的時間才能達到今天DC LED的水平。不過，很多驅動器廠家沒有考慮做DC LED。對此，Intersil的Robert解釋說，首爾半導體等公司采用AC LED的原因是該公司也同時做LED光源，因此直接做用AC驅動LED的方案。但大部分獨立的IC廠商仍然采用直流的驅動器方案，好處是AC和DC隔離開來，這樣可以起到保護LED消費端的作用。例如，Intersil的方案能支持110～220V交流電，最高耐壓可達277V。

　　照片 華潤矽威的高工顏重光

　　*照明用單LED驅動器將保持增長勢頭

　　由于LED驅動器需要集成到單個燈體中，PI公司認為對LED驅動器的主要要求如下：

　　* 效率更高，以降低燈內的功率耗散并使LED驅動器能夠在可接受的溫度下進行工作;

　　* 具備功率因數校正電路，以滿足新出臺的能源之星規范;

　　* 外形尺寸小，以便裝入燈殼內;

　　* 優先采用隔離式設計方案，更容易符合安全要求;

　　* 在現行要求下，普通照明用單LED芯片將繼續保持增長勢頭(使得LED燈更難滿足高能效要求)。

　　不過，中國雖然目前的LED設計活動非常活躍。但大部分的設計活動是針對歐美市場的，并非針對本國市場。

　　部分LED驅動器及調光方案

　　安森美：多樣的LED驅動器及調光芯片

　　包括多樣化的元件驅動LED及調光。“每瓦流明數不斷提升的LED技術在2009年將繼續向前推進，恒流驅動架構是驅動LED的關鍵。”安森美半導體亞太區電源管理部市場推廣經理蔣家亮說，“此外，要實現強固的LED驅動產品，需要采用系統導向的方法，考慮光源、電源轉換、LED控制和驅動、散熱和光學等多種因素。”

　　安森美專注于運用低電壓和高電壓技術，以及在電源管理方面的專長，不斷推出領先的技術和產品，例如最新的CAT3224驅動器，是業界首款4A單芯片LED驅動器，為基于超級電容的LED相機閃光和工業應用提供高強度LED閃光能力，在這些應用中LED被用于替代氙氣閃光。

　　安森美的LED驅動電源解決方案產品系列，滿足從高壓離線型AC-DC開關電源到寬輸入范圍的中等電壓LED電源，以及便攜產品背光和閃光驅動應用的廣泛需求。

　　例如離線式PWM開關穩壓器NCP1014/1028，含集成的700V高壓MOSFET，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關閉保護等特性，適合于LED鎮流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業燈等應用。或替代E27/GU10燈。

　　照片 安森美亞太區電源管理部市場推廣經理蔣家亮

　　華潤矽威：將推出E27燈方案

　　華潤矽威在2006年已量產LED驅動IC。PT4115、PT4107已被國內外客戶用于大批量生產各種LED燈具。2008年起向客戶提供可直接用于LED燈具生產的MR16、LED日光燈、LED吸頂燈等方案的DEMO板、BOM、PCB板圖;2009年推出可直接用于E27 LED燈具生產方案的DEMO板、BOM、PCB板圖;還有不少新的系統應用方案在設計中，如LED路燈、太陽能LED燈等。

　　聚積科技：首款內建16位PWM的LED驅動器

　　MBI5030號稱是業內第一款內建16位元PWM的智能型LED驅動芯片，可建立最高達65,536種灰階應用的全彩顯示屏，足以提供較寬影像處理能力，符合高階的LED顯示屏對于色彩表現、灰階表現的高規格要求。此外，MBI5030改善傳統PWM的功能，將一個影像導通的時間分散成數個較短的導通時間，以增加整體的視覺更新率，最高可達7680Hz (@ GCLK=8MHz )，能夠讓高速攝影機在拍攝時不閃爍地捕捉畫面。

　　PI：可靠性和集成度高

　　該公司IC具有極高的可靠性，其失效率(FIT)約為1。PI的電源IC采用開/關或多模式控制，能提高驅動器的能效水平。此外，PI產品還可減少對外部元件數量的要求，從而延長驅動器的平均無故障時間(MTBF)。只使用15個外部元件完全可以設計出350 mA, 12 V的LED驅動器。

　　ST：太陽能LED街燈

　　ST在今年2月推出了太陽能LED(Solar LED)街燈(照片1)，并在與合作伙伴共同推廣。整體方案由兩個模塊構成：一個85W太陽能充電器和一個25W發光二極管驅動器，節能并提高照明效果。

　　照片1 ST的太陽能街燈方案

　　NS：RGB背光手機屏：

　　NS介紹一個該公司的新技術——RGB(紅綠藍)背光驅動，代替通常的手機白光驅動。據NS公司亞太區電源產品市場總監黃漢基介紹，白光背光的缺點是沒法做到純白，這樣圖像顏色就不夠真實。而RGB的好處是能夠達到100%色域，可以讓圖像更加的明亮。而且能保證在任何狀況下達到比較穩定的效果。另外，白光驅動還有較大的能耗;但RGB加上高性能濾波器后，能達到良好的節能效果。圖1顯示了白光LED背光燈和RGB光LED背光燈顯示器的比較。

　　圖1 白光LED背光燈和RGB光LED背光燈顯示器的比較

　　圖2 RGB比白光背光更節能

　　道康寧：硅基密封材料

　　作為LED行業重要的技術目標，光輸出率是極為重要的。道康寧認為硅基密封材料(照片2)具有巨大的潛力，因為其更高的折射率(>1.5RI)，因此對于推廣LED在高性能領域的應用有著極其重要的作用。

　　照片2 可塑成型硅膠

　　硅基密封材料不但能夠保護LED免受自然環境的侵害，還能幫助控制光輸出率，并且提高在從低到高工作溫度(-40～150℃)下的長期穩定性。相比環氧化合物材料，硅基密封材料能承受更高的LED工作溫度。硅基密封材料的優點還包括高透光率，與多種材料極佳的粘附性，低吸濕性，同時還能滿足更加廣泛的硬度和粘性要求。