半导体欲凭基础技术创新驱散2012年产业上空阴霾:LED篇
时间：2012-03-07 16:51:52
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[导读]据市场研究机构IHSiSuppli最新发布的报告，2012年全球半导体市场增长率仅约3.3%。行业不景气的原因主要是受全球经济低迷的影响。业内的主流观点多数看衰2012年的市场行情。尽管有不少阴霾，但平板电脑、智能手机、移
据市场研究机构IHSiSuppli最新发布的报告，2012年全球半导体市场增长率仅约3.3%。行业不景气的原因主要是受全球经济低迷的影响。业内的主流观点多数看衰2012年的市场行情。
尽管有不少阴霾，但平板电脑、智能手机、移动通信基站、LED照明、工业控制及汽车电子领域，被业内人士一致看好为2012年半导体市场的阳光地带。
近期的深圳集成电路展、多场产业或技术研讨会及北京照明展上，国内外半导体厂商纷纷推出了大批创新基础技术。在巴塞罗那世界移动通信大会（2012MWC）上，英特尔、高通、博通、TI、Marvell、TriQuint、飞思卡尔、联发科、Nvidia等芯片厂商也展出了众多半导体技术，使往年以设备制造商和终端厂商为主的“二人转”，演化成了2012MWC上，设备、终端制造商及半导体厂商的“三国鼎立”。
下面分别盘点一下近期半导体业在各应用领域的新技术。
LED照明篇（上）
在欧债危机控制不力、美国、日本缓慢恢复的大背景下，中国将成为全球LED市场发展的主要驱动力量。尽管LED背光市场增长乏力，但受中国政府的政策支持，户外、商业和工业LED照明市场的引擎相当强劲。
例如，苏宁电器最近同意委托华讯节能及中国普天，以LED照明设备取代现有1000多家零售店的照明设备。其他企业也会陆续跟上。
图1Marvell全球技术营销高级经理LanceZheng
Marvell全球技术营销高级经理LanceZheng（见图1）在深圳的“2012产业和技术研讨会”上也表示：“2011年中国商业照明增长约70%，2012年将延续这一趋势和增长率。”他还指出：“中国对LED灯泡的需求，肯定没有欧美大。这主要因为中国用户对成本更敏感；2012年欧盟的白炽灯将全部淘汰；2012年10月1日，美国要求白炽灯光效达到25lm/W。目前，全球LED制造70%在中国，其中大部分在深圳，产品多销往欧美。”
家庭普及LED照明最多还有两年缓冲期
仔细阅读中国发改委关于LED照明的政策就会发现，从2012年和2014年的10月1日起，将分别禁止销售和进口100W和60W及以上普通照明白炽灯。
由于家庭中主要使用100W以下的白炽灯，且目前LED家庭照明的每居室单套成本要几十元或上百元，一个家庭根据居室数量的多少需用多套，绝大部分家庭难以或不愿承担。因此，有理由相信，政策的大规模效应不会马上显现，LED照明真正进入家庭的时间未必在2012年，而很可能被推迟到2014年。就是说，还有两年多的缓冲期供厂商进行市场铺垫、推广，开发灯具和电源驱动等相关新技术和产品，进一步将高高在上的成本拉下来，并提高可靠性。
飞兆半导体技术营销部经理钱家法分析了LED照明设计中的几项关键因素：
1.对于5W以上的交流电压输入应用，额定输入电压下，PF（功率因数）≥0.9；对低电压输入的MR16照明灯应用，没有规定。目前对于5W以下应用的PFC需求开始增加；需省去输入电解电容器。
2.功率大于25W时，THD（总谐波失真）要小于25%(俄罗斯市场<10%)。对于球泡型应用没有严格的要求。
3.LED驱动板的功率效率，在低功率应用中，无调光板时，要大于85%；有调光板时要大于80%。效率越来越高，但相关的BOM成本也增加了。
4.在调光兼容性方面，切相(Phasecut)调光器(前沿型和后沿型)是主流，要保证LED灯不闪烁。
调光技术的比较
目前的欧美日家庭照明市场上，普遍采用的是可控硅调光器（Triacdimmer）。在深圳集成电路展的LED照明技术研讨会上，台湾新绿科技演讲人表示，今后LED照明在家庭普及的过程中，消费者希望最好不改变家里现有的照明布线，否则需要重新施工、装修，非常麻烦。
目前常见的调光器包括可控硅调光器（前切式）、电子调光器（后切式）和遥控调光器（红外线或RF式）。
该演讲人分析指出，电子调光器需要对居室线路重新施工，遥控调光器价格昂贵，又无统一标准。可控硅调光器由于用户不需重新施工改变现有线路，所以现阶段应用较多。但会降低PFC，深度调光时，导通角更短，这种缺点就更明显；还会降低功效；使THD增大；有突波电流；切角很小时，存在LED灯闪烁不定的问题。
新绿科技的EZDimming调光技术结合了正弦降压线路或正弦正激线路的专利驱动技术，通过检测现有的墙壁开关切换次数进行调光，PF大于0.9，功效在80%以上，切换柔和，没有突波电流或噪音，线路少、成本低。
没有电解电容器的调光驱动技术
飞兆的钱家法指出，其具备大(50W以上)、中(20W-50W)、小（20W以下）功率LED驱动方案。在20W以下的家庭和商业LED照明方面，由于调光器兼容性问题，在普通可控硅调光器结构中实现LED调光很困难。为此，飞兆开发出了带功率因数校正(PFC)、可控硅和模拟调光能力的FL7730单级原边调节(PSR)控制器，可兼容80%以上的调光器。
FL7730通过独特的模拟感测技术，可在从0至100%光输出的整个范围内，实现无闪烁的可控硅调光控制。FL7730和FL7732（不可调光）采用初级端调节和单级PFC拓扑结构，去掉了输入电解电容器和反馈电路，减小了空间，并降低了系统成本。
通过内部误差放大器和低带宽补偿器，实现了恒定导通时间控制。功效在85%以上，PF在0.9以上，THD满足EN61000标准的ClassC要求。±5%的恒流精度/控制可以不受输入和输出电压的影响，调节输出电流。
对于下一步研发趋势，他表示，提高可靠性是重点，今后，大功率电源驱动的拓扑结构会发生变化。
有可能降低到0.5美元的LED驱动器
Marvell的LanceZheng介绍，2月7日-9日在美国加州举行的“2012年美国SIL照明展”上，Marvell展示了一款深度调光AC/DCLED驱动芯片88EM8183。该芯片具有单级原边电流控制，PFC/QRC和低谷开关，片上高压启动电流。可进行1%的深度调光，满足NEMASSL6调光标准。
88EM8183不需要光耦合器和次级反馈电路，也不需调光器泄流电路。效率达90%，有助于延长LED灯的寿命。PF在0.95以上，THD低于20%。据了解，目前在美国，若THD高于25%，就不能享受政府的政策补贴。目前，市场上的同类芯片通常含有50、60个元件，而88EM8183只有33个，这降低了30-40%的成本。据称，今后可以进一步降低到0.5美元，届时也标志着家庭LED照明的真正普及。
88EM8183可兼容110多种调光器。在图4所示的调光曲线中，通过对固化了多种算法的OTP存储器进行编程，蓝色曲线最右上边的点可以横向移动。另外，通过改变芯片电路里的一个外置电阻，可以把曲线往下拉，使调光曲线更趋理想，即与白炽灯的调光曲线（中间蓝色线）尽量吻合。[!--empirenews.page--]
另外，智能双通道DC/DCLED驱动芯片88EM8801可独立控制两条LED灯串。集成了4个MOSFET，成本降低，效率可达到97%。可把红、蓝光LED混合在一起，进行温度补偿，提高效率，最高达97%。此外，可以实现0.1%的PWM调光精度。OTP存储器程序可通过I2C接口进行Zigbee、WiFi和PLC通信。
对于未来的智能照明平台，郑先生表示，每个灯具里都有驱动芯片，所有灯具会连到Marvell处理器的网关，芯片可以连到手机或平板电脑上进行遥控调光。还可利用LED上的传感器控制温度。目前，华为在其手机中利用Android系统开发了一个界面，以控制照明。他表示：“在目前提供的交钥匙方案中，通信器件与驱动芯片是分开的，等到市场起量时，会把他们集成。”
AC/DC转换不见了
首尔半导体在3月1日的2012北京照明展上，展示了交流驱动LEDAcrich2系列模块。其独有的专利技术消除了AC/DC转换环节。4W、8W、12W和16W的Acrich2模块方案能取代40W、60W、100W的白炽灯，及MR16卤素灯和筒灯。Acrich2的PF为0.97，功效在90%以上，THD低于25%。灯具制造商可直接把内置Acrich2的产品插入墙体。
另外，其大功率LEDZC系列以板上芯片直装式（COB）封装，采用了高反射铝基板，提高了亮度并延长了LED灯泡的寿命。
携MCU优势实现智能LED照明
目前，拥有MCU技术和电源驱动技术的厂商，基本都已将两者结合，目的就是抢占LED智能照明市场的制高点。
爱特梅尔亚太区营销总监曹介龙（见图5）表示：“智能控制是LED灯的最大优势之一。8位和32位AVRMCU是我们擅长的控制技术，将其与LED驱动芯片结合，再加上其他厂商的Zigbee（802.15.4协议）芯片方案，就可实现LED照明的远程控制（见图6）。Zigbee光线链接状态支持ZLL草案，并针对黄金单元（GoldenUnit）状态。我们的总体战略是先切入LED背光照明，之后是小功率LED照明市场，目前的核心技术已经储备到了中、大功率部分。”
在效率优化方面，尽量减小因LED串Vf失配而导致的功耗，通过芯片反馈引脚控制电源输出电压，自动启动校正和重新校正，针对Vf变化而调节，系统架构不会影响调光范围与对比度。在老化和色彩-温度调节方面，有内部EEPROM，可自动测试，调节各个LED串以匹配色彩。并能进行软硬件调光。
另一MCU巨头富士通半导体也展示了将8位MCU控制芯片8FX与LED照明驱动结合的小功率、低成本LED太阳能花园灯技术和LED三色调光方案。
英飞凌也采用了MCU控制多通道LED灯或模块，该MCU可进行调光、灯温控制，并与照明网络连接，实现日光调节、运动控制开关、统一远程控制、HMI接口、维护监控、灯验证等功能。
另外，飞思卡尔采用SiP工艺的ZigBee兼容平台MC13213，集成了8位MCUMC9S08GT和Zigbee（IEEE802.15.4）的MC1320x2.4GHz射频接收器，可支持6万多个射频网络终端，实现LED照明的智能远程控制。
罗姆半导体的30W功率LED照明驱动芯片（可调光）T4/T5/T8/T10，可使PF改善到0.99，符合IEC61000-3-2标准；厚度比此前产品减少了30%，适于直管型、无接缝型、遮蓬灯。
罗姆（深圳）设计中心工程师胡琳龙表示，其LED驱动器参考设计对于9-12W的功率，PF可达0.9以上；7-12W的功率，PF可达0.85以上；5-7W的功率，PF也在0.7以上。
笔者还发现了罗姆一款号称世界最小可控硅调光的AC/DCLED驱动器，在5W输出、100Vac时，效率为65%；200Vac时，效率为58%。已通过传导干扰测试（CISPR15）和辐射干扰测试（IEC61000-3）,兼容绝大部分可控硅调光器。
另外，LED照明驱动芯片BD555ALFV可实现可控硅/PWM/线性调光，调光比为1%-100%；内置的倾斜功能可实现平稳的照度变化（见图8）。适于灯泡型、射灯和普通LED照明。
硅集成氮化镓技术降低高亮度LED照明成本80%
英国普莱思（Plessey）的高亮度LED照明技术非常前卫，目前看，似乎显得有些鹤立鸡群。该技术能在现有的标准硅衬底上集成超薄的高亮度LED结构。而现在普遍只能在SiC或蓝宝石基板上完成，且价格昂贵。硅集成氮化镓工艺的重大意义在于，解决了在大尺寸硅衬底上集成高亮度LED时，氮化镓和硅晶体在晶格中的高度失配现象。硅集成氮化镓方案可将现有成本降低80％。该公司表示，将于2012年晚些时候发布输出150lm/W以上的产品。
不少LED照明厂商对此评论说，硅集成氮化镓技术确实非常棒，但更适于大功率LED照明，家庭应用不是它的“菜”。
尽管有不少阴霾，但平板电脑、智能手机、移动通信基站、LED照明、工业控制及汽车电子领域，被业内人士一致看好为2012年半导体市场的阳光地带。
近期的深圳集成电路展、多场产业或技术研讨会及北京照明展上，国内外半导体厂商纷纷推出了大批创新基础技术。在巴塞罗那世界移动通信大会（2012MWC）上，英特尔、高通、博通、TI、Marvell、TriQuint、飞思卡尔、联发科、Nvidia等芯片厂商也展出了众多半导体技术，使往年以设备制造商和终端厂商为主的“二人转”，演化成了2012MWC上，设备、终端制造商及半导体厂商的“三国鼎立”。
下面分别盘点一下近期半导体业在各应用领域的新技术。
LED照明篇（上）
在欧债危机控制不力、美国、日本缓慢恢复的大背景下，中国将成为全球LED市场发展的主要驱动力量。尽管LED背光市场增长乏力，但受中国政府的政策支持，户外、商业和工业LED照明市场的引擎相当强劲。
例如，苏宁电器最近同意委托华讯节能及中国普天，以LED照明设备取代现有1000多家零售店的照明设备。其他企业也会陆续跟上。
图1Marvell全球技术营销高级经理LanceZheng
Marvell全球技术营销高级经理LanceZheng（见图1）在深圳的“2012产业和技术研讨会”上也表示：“2011年中国商业照明增长约70%，2012年将延续这一趋势和增长率。”他还指出：“中国对LED灯泡的需求，肯定没有欧美大。这主要因为中国用户对成本更敏感；2012年欧盟的白炽灯将全部淘汰；2012年10月1日，美国要求白炽灯光效达到25lm/W。目前，全球LED制造70%在中国，其中大部分在深圳，产品多销往欧美。”
家庭普及LED照明最多还有两年缓冲期
仔细阅读中国发改委关于LED照明的政策就会发现，从2012年和2014年的10月1日起，将分别禁止销售和进口100W和60W及以上普通照明白炽灯。
由于家庭中主要使用100W以下的白炽灯，且目前LED家庭照明的每居室单套成本要几十元或上百元，一个家庭根据居室数量的多少需用多套，绝大部分家庭难以或不愿承担。因此，有理由相信，政策的大规模效应不会马上显现，LED照明真正进入家庭的时间未必在2012年，而很可能被推迟到2014年。就是说，还有两年多的缓冲期供厂商进行市场铺垫、推广，开发灯具和电源驱动等相关新技术和产品，进一步将高高在上的成本拉下来，并提高可靠性。
飞兆半导体技术营销部经理钱家法分析了LED照明设计中的几项关键因素：
1.对于5W以上的交流电压输入应用，额定输入电压下，PF（功率因数）≥0.9；对低电压输入的MR16照明灯应用，没有规定。目前对于5W以下应用的PFC需求开始增加；需省去输入电解电容器。
2.功率大于25W时，THD（总谐波失真）要小于25%(俄罗斯市场<10%)。对于球泡型应用没有严格的要求。
3.LED驱动板的功率效率，在低功率应用中，无调光板时，要大于85%；有调光板时要大于80%。效率越来越高，但相关的BOM成本也增加了。
4.在调光兼容性方面，切相(Phasecut)调光器(前沿型和后沿型)是主流，要保证LED灯不闪烁。
调光技术的比较
目前的欧美日家庭照明市场上，普遍采用的是可控硅调光器（Triacdimmer）。在深圳集成电路展的LED照明技术研讨会上，台湾新绿科技演讲人表示，今后LED照明在家庭普及的过程中，消费者希望最好不改变家里现有的照明布线，否则需要重新施工、装修，非常麻烦。
目前常见的调光器包括可控硅调光器（前切式）、电子调光器（后切式）和遥控调光器（红外线或RF式）。
该演讲人分析指出，电子调光器需要对居室线路重新施工，遥控调光器价格昂贵，又无统一标准。可控硅调光器由于用户不需重新施工改变现有线路，所以现阶段应用较多。但会降低PFC，深度调光时，导通角更短，这种缺点就更明显；还会降低功效；使THD增大；有突波电流；切角很小时，存在LED灯闪烁不定的问题。
新绿科技的EZDimming调光技术结合了正弦降压线路或正弦正激线路的专利驱动技术，通过检测现有的墙壁开关切换次数进行调光，PF大于0.9，功效在80%以上，切换柔和，没有突波电流或噪音，线路少、成本低。
没有电解电容器的调光驱动技术
飞兆的钱家法指出，其具备大(50W以上)、中(20W-50W)、小（20W以下）功率LED驱动方案。在20W以下的家庭和商业LED照明方面，由于调光器兼容性问题，在普通可控硅调光器结构中实现LED调光很困难。为此，飞兆开发出了带功率因数校正(PFC)、可控硅和模拟调光能力的FL7730单级原边调节(PSR)控制器，可兼容80%以上的调光器。
FL7730通过独特的模拟感测技术，可在从0至100%光输出的整个范围内，实现无闪烁的可控硅调光控制。FL7730和FL7732（不可调光）采用初级端调节和单级PFC拓扑结构，去掉了输入电解电容器和反馈电路，减小了空间，并降低了系统成本。
通过内部误差放大器和低带宽补偿器，实现了恒定导通时间控制。功效在85%以上，PF在0.9以上，THD满足EN61000标准的ClassC要求。±5%的恒流精度/控制可以不受输入和输出电压的影响，调节输出电流。
对于下一步研发趋势，他表示，提高可靠性是重点，今后，大功率电源驱动的拓扑结构会发生变化。
有可能降低到0.5美元的LED驱动器
Marvell的LanceZheng介绍，2月7日-9日在美国加州举行的“2012年美国SIL照明展”上，Marvell展示了一款深度调光AC/DCLED驱动芯片88EM8183。该芯片具有单级原边电流控制，PFC/QRC和低谷开关，片上高压启动电流。可进行1%的深度调光，满足NEMASSL6调光标准。
88EM8183不需要光耦合器和次级反馈电路，也不需调光器泄流电路。效率达90%，有助于延长LED灯的寿命。PF在0.95以上，THD低于20%。据了解，目前在美国，若THD高于25%，就不能享受政府的政策补贴。目前，市场上的同类芯片通常含有50、60个元件，而88EM8183只有33个，这降低了30-40%的成本。据称，今后可以进一步降低到0.5美元，届时也标志着家庭LED照明的真正普及。
88EM8183可兼容110多种调光器。在图4所示的调光曲线中，通过对固化了多种算法的OTP存储器进行编程，蓝色曲线最右上边的点可以横向移动。另外，通过改变芯片电路里的一个外置电阻，可以把曲线往下拉，使调光曲线更趋理想，即与白炽灯的调光曲线（中间蓝色线）尽量吻合。[!--empirenews.page--]
另外，智能双通道DC/DCLED驱动芯片88EM8801可独立控制两条LED灯串。集成了4个MOSFET，成本降低，效率可达到97%。可把红、蓝光LED混合在一起，进行温度补偿，提高效率，最高达97%。此外，可以实现0.1%的PWM调光精度。OTP存储器程序可通过I2C接口进行Zigbee、WiFi和PLC通信。
对于未来的智能照明平台，郑先生表示，每个灯具里都有驱动芯片，所有灯具会连到Marvell处理器的网关，芯片可以连到手机或平板电脑上进行遥控调光。还可利用LED上的传感器控制温度。目前，华为在其手机中利用Android系统开发了一个界面，以控制照明。他表示：“在目前提供的交钥匙方案中，通信器件与驱动芯片是分开的，等到市场起量时，会把他们集成。”
AC/DC转换不见了
首尔半导体在3月1日的2012北京照明展上，展示了交流驱动LEDAcrich2系列模块。其独有的专利技术消除了AC/DC转换环节。4W、8W、12W和16W的Acrich2模块方案能取代40W、60W、100W的白炽灯，及MR16卤素灯和筒灯。Acrich2的PF为0.97，功效在90%以上，THD低于25%。灯具制造商可直接把内置Acrich2的产品插入墙体。
另外，其大功率LEDZC系列以板上芯片直装式（COB）封装，采用了高反射铝基板，提高了亮度并延长了LED灯泡的寿命。
携MCU优势实现智能LED照明
目前，拥有MCU技术和电源驱动技术的厂商，基本都已将两者结合，目的就是抢占LED智能照明市场的制高点。
爱特梅尔亚太区营销总监曹介龙（见图5）表示：“智能控制是LED灯的最大优势之一。8位和32位AVRMCU是我们擅长的控制技术，将其与LED驱动芯片结合，再加上其他厂商的Zigbee（802.15.4协议）芯片方案，就可实现LED照明的远程控制（见图6）。Zigbee光线链接状态支持ZLL草案，并针对黄金单元（GoldenUnit）状态。我们的总体战略是先切入LED背光照明，之后是小功率LED照明市场，目前的核心技术已经储备到了中、大功率部分。”
在效率优化方面，尽量减小因LED串Vf失配而导致的功耗，通过芯片反馈引脚控制电源输出电压，自动启动校正和重新校正，针对Vf变化而调节，系统架构不会影响调光范围与对比度。在老化和色彩-温度调节方面，有内部EEPROM，可自动测试，调节各个LED串以匹配色彩。并能进行软硬件调光。
另一MCU巨头富士通半导体也展示了将8位MCU控制芯片8FX与LED照明驱动结合的小功率、低成本LED太阳能花园灯技术和LED三色调光方案。
英飞凌也采用了MCU控制多通道LED灯或模块，该MCU可进行调光、灯温控制，并与照明网络连接，实现日光调节、运动控制开关、统一远程控制、HMI接口、维护监控、灯验证等功能。
另外，飞思卡尔采用SiP工艺的ZigBee兼容平台MC13213，集成了8位MCUMC9S08GT和Zigbee（IEEE802.15.4）的MC1320x2.4GHz射频接收器，可支持6万多个射频网络终端，实现LED照明的智能远程控制。
罗姆半导体的30W功率LED照明驱动芯片（可调光）T4/T5/T8/T10，可使PF改善到0.99，符合IEC61000-3-2标准；厚度比此前产品减少了30%，适于直管型、无接缝型、遮蓬灯。
罗姆（深圳）设计中心工程师胡琳龙表示，其LED驱动器参考设计对于9-12W的功率，PF可达0.9以上；7-12W的功率，PF可达0.85以上；5-7W的功率，PF也在0.7以上。
笔者还发现了罗姆一款号称世界最小可控硅调光的AC/DCLED驱动器，在5W输出、100Vac时，效率为65%；200Vac时，效率为58%。已通过传导干扰测试（CISPR15）和辐射干扰测试（IEC61000-3）,兼容绝大部分可控硅调光器。
另外，LED照明驱动芯片BD555ALFV可实现可控硅/PWM/线性调光，调光比为1%-100%；内置的倾斜功能可实现平稳的照度变化（见图8）。适于灯泡型、射灯和普通LED照明。
硅集成氮化镓技术降低高亮度LED照明成本80%
英国普莱思（Plessey）的高亮度LED照明技术非常前卫，目前看，似乎显得有些鹤立鸡群。该技术能在现有的标准硅衬底上集成超薄的高亮度LED结构。而现在普遍只能在SiC或蓝宝石基板上完成，且价格昂贵。硅集成氮化镓工艺的重大意义在于，解决了在大尺寸硅衬底上集成高亮度LED时，氮化镓和硅晶体在晶格中的高度失配现象。硅集成氮化镓方案可将现有成本降低80％。该公司表示，将于2012年晚些时候发布输出150lm/W以上的产品。
不少LED照明厂商对此评论说，硅集成氮化镓技术确实非常棒，但更适于大功率LED照明，家庭应用不是它的“菜”。
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