2009年19家公司LED驅(qū)動(dòng)IC新品分析報(bào)告(一)
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第2章 LED 驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)
2.1 LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡介
LED按照應(yīng)用可以分為照明、背光和顯示三大類別。大多數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路都屬于下列拓?fù)漕愋停航祲盒�、升壓型、降�?升壓型、SEPIC和反激式拓?fù)洹榱藢?shí)現(xiàn)更加高效的LED照明,需要有新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提供解決方案,從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以充分發(fā)揮零電壓開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(ZVS)的優(yōu)勢。除此之外還有簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動(dòng)LED,但是此類方法通常會(huì)浪費(fèi)過多功率。LED照明應(yīng)用的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面：散熱、高效率、低成本、調(diào)光無閃爍、大范圍調(diào)光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰(zhàn)需要綜合運(yùn)用適當(dāng)?shù)碾娫聪到y(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)才能解決。
表1 LED驅(qū)動(dòng)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
不管LED照明系統(tǒng)的輸出功率有多大,LED驅(qū)動(dòng)器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅(qū)動(dòng)LED所需的電流。這導(dǎo)致了多種不同的可行LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型、反激式拓?fù)�、諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
LED驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率等�？偟目磥鞮ED照明設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面的因素：
輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等
電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅(qū)動(dòng)
功能要求：調(diào)光要求、調(diào)光方式(模擬、數(shù)字或多級(jí))、照明控制
其他要求：能效、功率因數(shù)、尺寸、成本、故障處理(保護(hù)特性)、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等
更多考慮因素：機(jī)械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等
2.2 LED照明驅(qū)動(dòng)
LED照明符合節(jié)能環(huán)保的大趨勢,前景比較明朗,雖然背光、顯示技術(shù)發(fā)展多年,方案相對成熟,但在市場熱度上不如照明,而且在很多相關(guān)消費(fèi)電子市場(如手機(jī)背光)競爭強(qiáng)度大,對成本要求高,價(jià)格戰(zhàn)頻發(fā),利潤空間受到較大限制。有人認(rèn)為也許就在2-3年中,LED照明技術(shù)將有突破性進(jìn)展,市場會(huì)大規(guī)模啟動(dòng)。與此同時(shí)LED照明的應(yīng)用不斷拓寬,新的市場不斷涌現(xiàn)。也許大功率路燈、普通照明等市場起步比較慢,但你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些小功率的照明市場在快速發(fā)展,比如裝飾照明、便攜產(chǎn)品照明等等。
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范：
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈,其中,住宅應(yīng)用的LED 驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7,而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是,這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W 的照明應(yīng)用的總諧波失真性能,其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD) 0.94。
雖然不是所有國家都絕對強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù),但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動(dòng)擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用,此外,公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購入/維護(hù)街燈時(shí),也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常 0.95+)。
美國能源部能源之星近期發(fā)布了其集成LED燈(該燈通常要擰入ANSI標(biāo)準(zhǔn)化燈座,與當(dāng)今市面上的大多數(shù)白熾燈類似)提議標(biāo)準(zhǔn)的修訂草案3,其中規(guī)定對于功率≤5W的燈泡,對最小功率因數(shù)不作要求,對于功率 5W的燈泡,功率因數(shù)必須≥ 0.70。
LED照明系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)選擇：
LED照明系統(tǒng)架構(gòu)選擇取決于你的設(shè)計(jì)目標(biāo)是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說,小于25W的LED照明系統(tǒng)不要求進(jìn)行功率校正,因此可以采取簡單一些的拓?fù)浼軜?gòu),如PSR或Buck拓?fù)洹?5W-100W的LED照明應(yīng)用要求進(jìn)行功率校正,因此一般采用單級(jí)PFC、準(zhǔn)諧振(QR)PWM或反激式拓?fù)洹?00W以上LED照明應(yīng)用一般采用效率更高的LLC拓?fù)浜蚉FC。從效率角度來看,LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級(jí)反饋,設(shè)計(jì)簡單,尺寸也比其它方案小�！�
就DC-DC解決方案而言,其中,標(biāo)準(zhǔn)降壓型轉(zhuǎn)換器是最簡單和最容易實(shí)現(xiàn)的方案,升壓型和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器次之,而SEPIC型轉(zhuǎn)換器則最難實(shí)現(xiàn),這是因?yàn)樗捎昧藦?fù)雜的磁性設(shè)計(jì)原理,而且需要設(shè)計(jì)者擁有高超的開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長。終端產(chǎn)品的應(yīng)用決定LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),然后再根據(jù)LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC(較少用)、或Buck-Boost結(jié)構(gòu)。“一般來說,25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結(jié)構(gòu)。效率的話兩者一般都可以做到85%以上,小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術(shù)集成度高的產(chǎn)品。
2.3 LED背光驅(qū)動(dòng)
LED背光在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PowerDVD等小尺寸屏上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,近幾年也不會(huì)有很高的年復(fù)合增長率。隨著LED光通量的提高、成本的降低以及LED具有的綠色環(huán)保(CCFL背光含汞)、色域范圍廣、可進(jìn)行局部調(diào)光等特性,符合目前LCDTV高清節(jié)能的發(fā)展需求。因此背光的增長點(diǎn)將在筆記本、液晶電視等中大尺寸屏上的應(yīng)用。
移動(dòng)手持等顯示產(chǎn)品背光LED驅(qū)動(dòng)IC的選擇,按LCD的面積來設(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/DCBoost;沒有RF 的消費(fèi)電子產(chǎn)品,大多選用DC/DCBoost,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)、電感升壓開關(guān)穩(wěn)壓器(DC/DC Boost)。下面是移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光驅(qū)動(dòng)IC的選擇表。
表2移動(dòng)手持顯示產(chǎn)品背光驅(qū)動(dòng)IC的選擇
2.4 LED 顯示屏驅(qū)動(dòng)
LED顯示屏作為一項(xiàng)高科技產(chǎn)品引起了人們的高度重視,采用計(jì)算機(jī)控制,將光、電融為一體的智能全彩顯示屏已經(jīng)在廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用。其像素點(diǎn)采用LED發(fā)光二極管,將許多發(fā)光二極管以點(diǎn)陣方式排列起來,構(gòu)成LED陣列,進(jìn)而構(gòu)成LED屏幕。通過不同的LED驅(qū)動(dòng)方式,可得到不同效果的圖像。因此LED驅(qū)動(dòng)芯片的優(yōu)劣,對LED顯示屏的顯示質(zhì)量起著重要的作用。LED驅(qū)動(dòng)芯片可分為通用芯片和專用芯片。通用芯片一般用于LED顯示屏的低端產(chǎn)品,如戶內(nèi)的單、雙色屏等。
圖4 LED顯示屏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
目前,LED顯示屏專用驅(qū)動(dòng)芯片生產(chǎn)廠家主要有TOSHIBA(東芝)、TI(美國德州儀器公司)、SONY(索尼)、MBI(聚積科技)、SITI(點(diǎn)晶科技)等。在國內(nèi)LED顯示屏行業(yè),這幾家的芯片都有應(yīng)用。
由于LED是電流特性器件,即在飽和導(dǎo)通的前提下,其亮度隨著電流大小的變化而變化,不隨著其兩端電壓的變化而變化。專用芯片的最大特點(diǎn)是提供恒流源輸出,保證LED的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng),消除LED的閃爍現(xiàn)象。具有輸出電流大、恒流等特點(diǎn),適用于要求大電流、高畫質(zhì)的場合,如戶外全彩屏、室內(nèi)全彩屏等。
LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)一般是多通道恒流源(目前多數(shù)為16通道)再加上灰度控制等功能,IC上不集成DC/DC等電源模塊,而在背光和照明驅(qū)動(dòng)中,通道數(shù)會(huì)少一些,而且DC/DC轉(zhuǎn)換模塊通常是IC的一部分。LED顯示屏非常注重屏的刷新速度和圖像表現(xiàn)能力,高匹配度、高刷新率和高分辨率成為判斷一個(gè)LED顯示屏性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。這要求LED顯示屏驅(qū)動(dòng)IC通道間電流的高一致性、高速的通信接口速率以及恒流響應(yīng)速度。顯示屏驅(qū)動(dòng)的技術(shù)著重于LED灰階線性度及快速的輸出響應(yīng)。背光廠則采用多并多串的架構(gòu)使得需要的操作電壓高達(dá)50V～60V,這會(huì)使驅(qū)動(dòng)IC所需要的工藝技術(shù)提高,在串高電壓后每個(gè)LED的VF的差異度便需要列入考慮,這對整體的電源效率及定電流(ConstantCurrent)控制會(huì)有很大的影響。 下表為LED顯示屏幕驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵指標(biāo)。
表3 LED顯示屏幕驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵指標(biāo)
2.5 LED汽車照明驅(qū)動(dòng)
對汽車應(yīng)用來說,LED有極大的吸引力,長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力,都是它的優(yōu)勢。當(dāng)然,相對于白熾燈,LED需要驅(qū)動(dòng)電路,還有汽車電氣是靠酸鉛蓄電池供電的,是機(jī)械驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)充電,這類電池適合白熾燈,不適用LED,因此,設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓性能良好而又低噪聲的驅(qū)動(dòng)電路是十分必要的。汽車電源的變化范圍是很大的,在8V-18V之間,峰值電壓可達(dá)幾十伏。此外,高亮度LED驅(qū)動(dòng)電流大,會(huì)在電阻上產(chǎn)生大量的熱量,使散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
圖五所示是現(xiàn)代汽車中的各種LED照明應(yīng)用。在汽車內(nèi)部,有幾種采用各種類型LED的“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置”照明模塊。有些是單個(gè)LED,而像導(dǎo)航儀表板背光照明等另一些應(yīng)用則需要LED陣列。在外部照明方面,LED也得到了認(rèn)可。現(xiàn)在超過40%的中央高位剎車燈已經(jīng)采用紅光LED。另外,奧迪(Audi)2008 A8采用大電流LED陣列作為白天行車燈(DRL)。雷克薩斯(Lexus)600轎車和奧迪R8包括前燈在內(nèi)的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。類似地,甚至更多中檔汽車和很多摩托車也采用了彩色LED陣列作為剎車/轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈。
圖5 LED照明在現(xiàn)代汽車中的典型應(yīng)用
下圖為汽車照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖6 汽車照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
下表為汽車照明驅(qū)動(dòng)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表格
表4汽車照明驅(qū)動(dòng)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表
2.6 調(diào)光技術(shù)-模擬、PWM和TRIAC調(diào)光
LED調(diào)光解決方案及規(guī)范一直在不斷變化,直到現(xiàn)在還未固定下來,所以現(xiàn)在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調(diào)光方案。
PWM和模擬方法是其中較簡單的,但需要構(gòu)建調(diào)光基礎(chǔ)架構(gòu)和新的調(diào)光控制器。模擬調(diào)光方案的缺點(diǎn)是,LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個(gè)最大值至該最大值的約10%之間(10:1調(diào)光范圍)。由于LED的色譜與電流有關(guān),因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用。PWM調(diào)光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100MHz)在零電流和最大LED電流之間進(jìn)行切換。該占空比改變了有效平均電流,從而可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000:1的調(diào)光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值,要么被關(guān)斷,所以該方法還具有能夠避免在電流變化時(shí)發(fā)生LED色偏的優(yōu)點(diǎn),而在采用模擬調(diào)光時(shí)這種LED色偏現(xiàn)象是很常見的。
關(guān)于TRIAC,說法不一：
TRIAC調(diào)光是業(yè)內(nèi)非常熱的一個(gè)話題,最初,TRIAC調(diào)光器是為白熾燈而設(shè)計(jì)的,但大多數(shù)用戶希望相同的TRIAC調(diào)光器也能對替代的LED燈進(jìn)行調(diào)光。
觀點(diǎn)一：飛兆半導(dǎo)體公司高壓IC產(chǎn)品行銷經(jīng)理SangCheol Her表示看好TRIAC調(diào)光方案的市場前景,可控硅(TRIAC,2線調(diào)光)將成為非常流行的解決方案,因?yàn)檫@種技術(shù)可以完全使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)而不需任何改變。而且,它還能夠擴(kuò)展為3線調(diào)光,以避免出現(xiàn)與低功率因數(shù)值相關(guān)的缺陷。”
觀點(diǎn)二：Cytech產(chǎn)品及設(shè)計(jì)部工程師徐瑞包認(rèn)為調(diào)制方式的選擇不應(yīng)該決定于LED的功率。而應(yīng)決定于終端產(chǎn)品的應(yīng)用要求。比如,顯示背光或者LED裝飾燈可能會(huì)選用PWM的調(diào)光方式,顏色一致性好,亮度級(jí)別高。但是對于一般的家用照明或者商業(yè)照明,模擬調(diào)光或者TRIAC也可以選擇,不過會(huì)產(chǎn)生色偏,并且調(diào)光的級(jí)別會(huì)很低。”Tony Armstrong也指出,最終用戶所采用的調(diào)光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如,在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統(tǒng)中,環(huán)境照明的亮度變化范圍是非常寬的,既有陽光充足時(shí)的無比明亮,也有無月之夜的漆黑一片,可謂千差萬別。由于人眼對于環(huán)境照明條件的輕微變化極其敏感,因此需要3000:1的寬調(diào)光范圍。這將要求LED驅(qū)動(dòng)器電路采用PWM調(diào)光方法。不過,他補(bǔ)充道：“在LED街燈中,由于這種燈常常要么處于接通狀態(tài)要么處于關(guān)斷狀態(tài),因而只需要一個(gè)有限的調(diào)光范圍即可。在這種場合中,僅需采用一種簡單的模擬調(diào)光法便能滿足要求�！�
觀點(diǎn)三：安森美半導(dǎo)體中國區(qū)高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理鄭宗前認(rèn)為市場上TRIAC調(diào)光器的應(yīng)用方案應(yīng)該只是過渡性的,長遠(yuǎn)來說,應(yīng)該會(huì)用PWM調(diào)光。主要的三點(diǎn)決定性因素為：1)用PWM 調(diào)光從零到最光,都不會(huì)有閃爍的現(xiàn)象。2)性能會(huì)更好。因?yàn)檎{(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路,這是配合全球?qū)艄獠捎霉β室驍?shù)有強(qiáng)制性的要求,雖然一般從25 W開始有這要求,但美國要求燈光從零瓦起已需強(qiáng)制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性。因此,采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇,也是未來的趨勢。3)成本會(huì)更好。用PWM調(diào)整占空比,不需要太多額外的控制電路成本。” 英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer也表示看好PWM調(diào)光方案前景,他說：“與模擬調(diào)光方法相比,LED的PWM調(diào)光方法有以下優(yōu)點(diǎn)：1)效率更高;2)不管調(diào)光程度有多大,允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組;3)在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致(顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。”
為了在連續(xù)調(diào)光時(shí)實(shí)現(xiàn)無閃爍,大多數(shù)客戶喜歡選擇PWM調(diào)光,因?yàn)樗商峁└蟮恼{(diào)光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調(diào)光頻率,閃爍現(xiàn)象可以降到最小。模擬調(diào)光更容易實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗恍枰粋�(gè)DC電壓就可以無閃爍地對LED進(jìn)行調(diào)光。對于由多個(gè)LED構(gòu)成的大功率照明應(yīng)用,確保每個(gè)LED具有均勻的亮度且不產(chǎn)生任何閃爍也成為了主要的設(shè)計(jì)障礙,但PWM方法很容易解決調(diào)光時(shí)的閃爍問題。
如前所述,小于25W的LED照明應(yīng)用主要是替換標(biāo)準(zhǔn)白熾燈和鹵素?zé)�。在這一功率范圍上,最可能的一個(gè)應(yīng)用就是替代由基于TRIAC(雙向可控硅)的逐步削減入墻式調(diào)光器控制的白熾燈或節(jié)能燈。目前市場上有前沿和后沿削減調(diào)光器,這為整體兼容性帶來了挑戰(zhàn),因?yàn)閺腅MI的角度來看TRIAC調(diào)光是很差的。
“對于要求最佳性價(jià)比的非調(diào)光應(yīng)用,使用像英飛凌NCP6561這樣的DCM PFC的單級(jí)PFC反激拓?fù)涫且粋�(gè)合適的選擇�！庇w凌科技有限公司電源管理業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer認(rèn)為,“25W及以上功率范圍LED照明應(yīng)用面向更多的專業(yè)市場。調(diào)光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型。數(shù)字照明控制(如DALI或無線解決方案)允許對調(diào)光水平進(jìn)行更精確的控制、以及更多的功能,如日光下調(diào)光和占空比感應(yīng)。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調(diào)光控制器。
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