背光及照明用LED驱动IC技术分析

    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、MP3、MP4、PMP、DSC(数码相机)、PDA、GPS、PND、游戏机、学习机、笔记本电脑等的手持产品的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 亿部增长到2007 年的11 亿部，增幅达40%，2008 年预计将生产15 亿部。2007 年中国手机出货量增长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IC 达6 亿颗。预估LED 驱动IC 在消费性电子产品市场将继续成倍增长。

　　7 英寸～19 英寸的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。在笔记本电脑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(从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CCFL 高2.38 美元，因能减轻重量和节电，预计用户还是可以接受的。据估计，2007 年有8%的笔记本电脑采用LED 作为背光，而2007 年笔记本电脑的预计产量为8500 万台，采用LED 作为背光的笔记本电脑将达到680 万台，这一数据还有望突破。LCD TV 和笔记本电脑可望采用LED 取代CFL 背光的趋势已经十分清晰。2009 年LED 驱动IC 出货量将达9.1 亿颗，年复合增长率将达32%。
LED 驱动IC 的市场需求

　　LED 驱动IC 的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4.2V～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DC 的LED 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。汽车照明产品使用的LED 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 驱动器新品已推出较多，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VF、IF，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 的标称电压一般为3.4V±0.2V。工作电流IF 按应用需要选用，LED 的IF 通常为5mA~500mA。以手机为例，手机键盘背光使用电流为5mA~10mA，LCD 背光使用电流为15mA~20mA，相机闪光灯使用电流为100mA~500mA。它们的IF 都不相同，各挡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 颗~8 颗LED 灯，并联或单颗供电的应用居多。自2000 年以来，消费性电子产品常用LED 驱动IC 有DC/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。普及型手机产品对成本的要求很苛刻，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20mA~30mA，3.3V 以下输出电流急降。电荷泵的卖点是转换效率高(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/DC(Boost)的售价是0.12 美元～ 0.15 美元,一个电荷泵的售价是0.20 美元～0.25 美元,一个恒流源的售价是0.09 美元～0.12 美元，一个LDO 只有几美分，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。手机背光LED 驱动芯片的演变如图1 所示，手机LCD 背光如图2 所示。

　　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 所示的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LED 的N 串N 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IC；1.8英寸～3.5 英寸手机用LCM 其LED 点光源是2 颗～4 颗LED；3.5 英寸～8.0 英寸MP3、MP4、PDP、GPS、PND、DPF 用LCM 其LED 点光源是6 颗～28 颗LED；12.1 英寸～15.4 英寸笔记本电脑用LCM 其LED 点光源是48 颗～60 颗、60 颗～72 颗LED；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 的有电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、电感升压开关稳压器(DC/DC Boost )。背光LED 驱动IC 的选择如表1。

    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1W～5W LED 灯在家庭只能作为壁灯和辅助照明用，因为它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1W、3W、5W、10W、20W、30W、50W、100W，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N 颗LED 管芯封装在一个单位里的。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。

　　高亮度和大功率LED 照明灯进入家庭用在应用技术上还有技术瓶颈亟待解决，主要是芯片散热(热量管理)、发光亮度(流明)和EMI/EMC，成本下降也是一个关键问题。家庭照明用LED 驱动IC 技术还在攻坚中，驱动芯片需要采用700VBCD 高压工艺；芯片内的MOSFET 要做好热量管理，要考虑驱动IC 的散热设计；AC 到DC 恒流源各功能芯片整合在一个封装内的SoC 需要创新一个新的电源芯片模式。家用LED 照明灯样品如图4。

 　　近年MR16 射灯其发光源已从低效率的卤素灯泡顺利过度到绿色节能、高效、长寿命的LED IC。MR16 射灯使用12V 的AC-DC 电源，使得低电压、大电流的LED 驱动IC 迅速进入灯具行业，降低了应用技术的门槛。AC12V 经四个SS14 桥式整流即有14V～18V 的直流可供PT4115 LED 驱动IC 工作，可点亮一颗3W 或三颗1W 的高亮度LED IC，系统应用器件很少，是十分经济有效的方案。图5 是PT4115 应用电原理图，图6 是MR16 射灯新恒流源板实物。

　　开关电源式恒流源可能是AC 到DC 恒流源比较有效的方法之一。开关电源的效率高达65%～85%。电源效率的提高使设备制造商得以将待机电流降低到Energy Star(能源之星)和Blue AngEL(蓝天使)认证所需的水平。
　　家庭用的照明灯采用白光LED 是科技发展的必然趋势。家庭用白光LED 照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了十年的时间。家庭用照明灯的发光效率及平均寿命比较如表2。

　　 欧美等国在 2007 年2 月和3 月分别通过政府决议，在未来二年逐步取消白炽灯，提倡使用节能灯和LED 照明灯。由此，LED 照明灯进入千家万户揭开序幕，其市场需求量将是一天文数字。集成电路和灯具厂商纷纷开始行动，奔向这个巨大市场。

　　大功率照明灯用 LED 制造技术突飞猛进，今天已经能大批量生产了，而且在向增加LED发光效率(lm/W)方面努力；从AC 到DC 恒流源输出、经济而有效地驱动大功率照明灯用LED 的芯片还需要更多的集成电路开发厂商投入，迎合未来市场的创新设计是赢得高利润回报的先决条件，抓住机遇、发挥创造力、配合必要的财力和物力是企业成功的理念。