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LED驱动器与功率芯片发展现状及未来走势

2011-04-29 16:51:03 作者:szledia_hj 来源: 浏览次数:0

    据赛迪顾问半导体产业研究中心咨询师张晓康介绍,在中国乃至全球绿色低碳经济浪潮的推动下,在led下游应用产业蓬勃发展的带动下,中国LED驱动芯片市场即使在经济危机中,仍实现了稳定高速的增长。2010年,中国LED驱动芯片市场总规模达到13.4亿元,同比增长35.5%。2007-2010年,中国LED驱动芯片市场年均符合增长率达到30.1%,在经济危机中实现逆市高速增长,成为中国集成电路(IC)市场中增长最快的细分领域。

  为何LED驱动芯片受金融海啸的影响不大?因为LED的设计、制造、封装与测试均属于IC产业链各环节中的一部分,但LED驱动芯片的市场应用却与LED产业下游的显示屏、照明、背光源等应用是同步的。身在IC产业中,手伸进LED市场里,是LED驱动芯片行业最大的特点,这也保证了LED驱动芯片行业在金融危机中,受到LED市场的带动,仍能保持高速增长,相对于其他IC细分领域,受到的冲击很小。

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  中国LED显示屏产业较为成熟,产业规模最大,LED用量最多(图2)。尽管LED显示屏单颗驱动芯片价格较低,但配套LED驱动芯片的使用量很大,使得中国LED显示屏驱动芯片的市场规模达到6.8亿,占据一半左右的市场分额,位列第一。2010年,笔记本电脑、通信终端与消费电子产业的快速复苏,对LED背光的需求量大增,加上大尺寸LCD电视LED背光市场启动并快速增长,高端LED背光驱动芯片的使用量也在大幅增加,使得2010年中国LED背光源驱动芯片的市场规模达到3.2亿,约占1/4的市场份额。照明用LED驱动芯片的市场份额位列第三。

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  而来自IHS iSuppli的数据与赛迪有所不同。图3显示了LED驱动器行业收入的增长情况,可见每年的增长是10%以上,增长可观。2010年增长率尤其高。

  图4按应用划分了一下今后几年的走势,可见街道照明是在整个LED应用里比较广泛的。另外,AC/DC LED显示屏的应用在整个LED市场里占的比重较大。

  对于中国LED显示照明的数据(图5),主要针对的是LED灯的芯片市场来看。那么,为何2013年后该市场可能会有一个整体的衰退?IHS iSuppli高级分析师顾文军解释道:“价格战肯定会进行,所以尽管整体市场在增长,但是ASP(平均售价)会下降得很厉害。”

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  不同应用领域LED驱动芯片的企业状况

  据赛迪张晓康介绍,不同LED下游应用对所使用的LED驱动芯片的性能要求是不一样的。目前,在LED显示驱动领域,单双色显示屏驱动芯片市场与技术比较成熟,市场集中度很高,本土企业市场竞争力较强,深圳明微电子的市场占有率较高,此外恩智浦(NXP)也具有较大的市场分额,绝大部分市场份额被这两家企业占据。

  LED全彩显示屏对驱动芯片的可靠性、输出电流的稳定性等指标要求更高,台湾聚积科技实力最强,最近几年,明微电子的全彩驱动产品性能稳定,性价比较高,市场份额逐渐增加,位列第二。除此之外,美国德州仪器(TI)、日本东芝(TOSHIBA)、台湾点晶科技等企业在LED显示屏驱动芯片领域发展较早,专利与品牌优势仍然存在,部分客户在坚持使用它们的驱动芯片,占据一定的市场份额。

  目前,液晶面板LED背光源驱动芯片市场主要由日韩企业主导,像三星、LG等。在LED照明驱动芯片领域,LED照明应用逐渐趋向多元化,景观照明、路灯、汽车车灯、特种照明、便携式照明等领域已具备相当的市场规模,通用照明领域技术与产品逐渐成熟,市场将逐渐启动,那LED驱动IC厂商也必须根据不同的产品进行设计。

  在建筑及商业照明领域,NXP、安华高科(Avago)、聚积科技(MBI)等厂商的技术较为突出,产品功能各具特色。在环境、工业与通用照明领域,美国国家半导体(NS)、TI实力比较强。由于LED汽车车灯对驱动IC的可靠性、输入电压、散热管理等功能有特殊的要求,NS在此领域技术较为成熟,市场占有率较高。在路灯领域,Power Integrations(PI)公司的驱动芯片应用量较大。凌力尔特(Linear)则在便携式LED照明驱动芯片领域具有较高的市场竞争力。除此之外,英飞凌(Infineon)、飞兆半导体(Fairchild)、Oiodes在LED照明驱动领域也具有一定的市场分额。

  目前,LED照明驱动IC市场主要由欧美和中国台湾厂商主导,本土设计企业介入较晚,美芯晟、明微电子等本土IC设计企业已推出比较成熟的产品,并占据一定的市场分额。

  LED芯片的技术趋势
  照明
  为什么LED产品中要使用LED驱动器?

  Maxim系统和电源管理事业部业务经理Piero Bianco认为,一般而言,要为LED提供稳定的供电(输入电压发生变化时,电流几乎不会发生变化)。此外,驱动器可以吸收尖峰电压,保持LED电压的稳定,从而保护LED不受输入电压尖峰的影响;若没有驱动器,由于要承受所有电源电压上的峰值,因此,LED的可靠性一般就比较低。使用驱动器的第三个原因是,三端双向可控硅开关调光器的调光能力——选用适当的驱动器能够使LED灯变得可调。最后的想法是,对于120V或230V输入应用而言,没有驱动器,灯就必须使许多LED串联在一起(每个LED上的电压降约为3V);虽然对于某些类型的灯来说,多个LED串联在一起是可行的,但一般而言,由于光学方面的原因,灯质良好的定向灯必须很少有高功率的LED。

  驱动器IC走势

  对于LED照明用芯片,如果细化,可以把它们分为驱动器IC和功率IC两类。IMS Research公司LED市场调查经理Jamie Fox专门负责驱动器IC,他认为LED的趋势是更高效率、更小尺寸、更多在照明上的应用。由于驱动器IC要驱动电子装置,寿命和效率可能会受到一定影响,但是使用驱动器还是有净收益的。未来,LED裸片(die)将变得更加高效。为了解决LED光衰,LED可运行在适当的电流上,并使用良好质量的产品。

  Fairchild半导体韩国功率转换部门副总裁Donghye Cho称,LED技术包括采用外延(Epi)生长Al2O3蓝宝石晶圆制成的LED芯片、封装技术和驱动模块系统。高亮度LED的面市已有六年时间。大体上,自2002年以来,LED的发光效率已从30lm/W 提升到100lm/W。

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  线性和开关型 LED驱动电路在所有应用中受到欢迎(图6),这些应用通常在LED串之前使用 DC/DC转换器。

  可以预见,从2009年到2015年,LED 背光模块(BLU)将推动市场增长,自2018年开始,LED照明将是市场增长的主要推动力。

  最终,LED的应用范围将会扩展到生物技术、农业和医疗行业。

台湾聚积科技公司技术市场部专案副理何宜叡介绍,随着LED芯片发光效率的提升,同样亮度的产品可以用更小的功率去驱动,热及成本的问题正进一步在降低,市场因而将进一部扩大。届时各类照明应用将大量导入LED做相关应用之光源。

  驱动器本身面对更小的负载功率,必须进一步提升电源转换的效率,以免拖累整体灯具的效率。另一方面,也必须要提供LED芯片稳定可靠的电源,保证LED芯片的工作寿命及提供保护功能避免突发状况损坏灯具。

  Maxim的Piero Bianco强调LED技术的热点问题之一是冷却,尤其对于改型灯和小型灯(如MR16)非常重要。除了散热装置外,冷却问题还关系到驱动器,因为灯工作在高温下就意味着驱动器会变热,这样就会降低驱动器的使用寿命。电解电容器对高温尤为敏感。幸运的是,Maxim现有的驱动器方案无需使用电解电容器,或虽然驱动器中使用了电解电容器,但当由于高温电解电容器性能下降时,驱动器性能几乎不会受到影响。

  影响LED照明发展的关键因素

  那么,目前全球都在主攻LED灯、芯片和应用领域。但现在LED的平均寿命还是较为有限,有人认为关键还是驱动力不足。那么影响LED产业发展的主要因素是什么?

  飞兆的Donghye Cho认为,如果要把LED打进一般照明市场,建立业界公认的标准并降低成本非常重要。其它有待解决的问题仍然是良率、发光效率(lm/W)和散热。良率直接影响LED的制造成本和系统BOM(材料清单)成本,这占据LED照明应用总体BOM成本的70%。

  台湾普诚科技绿色能源事业处萧恩煦协理指出,随着LED技术的发展,其单位功率的流明不断提升,目前在市场上量产的LED灯泡多数可以达到60 lm/W以上。在未来几年之内,LED散热技术不断优化,LED的流明转换效率将会不断提高,真正达到节能的目的。

  LED驱动器目前仍处“战国时代”,多样化、灵活性是目前LED驱动器在市场上的体现,在未来的2~3年内不会发生根本性的改变。但随着市场需求的不断规范化、趋同性,LED驱动器将逐渐变成一个标准品。以目前市场发展较快的照明LED灯泡为例,在市场的开始阶段,驱动芯片的隔离方案几乎是每个方案设计商的必需,但随着灯泡外壳技术的发展、灯泡体积的不断缩小、价格的降低,LED灯泡的驱动方案也发生了较大的改变,非隔离方案的优势将逐渐呈现出来,并被众多客户接受。目前LED灯泡多在4~6W范围,对功率因素要求不高,但未来对功率因素的要求势在必行,LED驱动器集成功率因素校正功能将在LED灯泡市场成为主流。

  台湾聚积的何宜睿认为,就LED灯具而言,与寿命最相关的不外乎灯具的电路部份。通常灯具厂商在设计的时候需要注意到两个地方:一个地方是LED芯片在操作时候的温度与寿命的关系,另一个是驱动电源本体组件的寿命限制。

  影响寿命的因素

  从技术层面来看,LED本身的寿命往往长达几万小时,但有时8000小时就不错了[1]。造成这种现象的原因是什么?

安森美半导体中国区高级应用工程经理郑宗前认为,这是由于照明系统设计工程师在LED驱动电路设计中为了降低成本而使用较低等级的外部元件,如额定工作温度更低的电容或精度更低的电阻等,会使驱动电路的可靠性降低,使用寿命大幅缩短,不能与LED本身的寿命匹配。故工程师的一大挑战是在保持极高可靠性的同时还要降低成本。
 
  从市场来看,随着LED在亮度及能效等方面在提升,对于LED照明产业而言,在商用市场和消费市场的发展步伐并不一致。建筑物照明及零售照明等商业照明是最早应用LED通用照明的领域,总体拥有成本、可靠性和便利性等因素正推动LED照明在此领域不断普及。而在住宅应用等消费市场,成本仍是影响LED照明普及的关键因素。

  散热或光衰问题

  很多LED企业认为芯片、散热器是LED寿命的根源,却没有注意到LED电源驱动导致的光衰问题,致使消费者买回去两年不到就变得跟蜡烛一样。那么如何更好地解决散热或光衰等方面的问题?

  聚积的何宜叡认为,LED芯片本体对寿命的推算,通常由光衰的程度来决定(例如:有些估算方式为光衰达30%或50%)。光衰的程度取决于某一温度下的光衰系数与加电时间,而两者之间又带有指数型的关系。因此当温度上升过高时,光衰速度急剧增加,会导致LED芯片寿命大幅衰减。

  另外,电源驱动端输出电流纹波过大时,也可能对LED芯片寿命产生明显影响。电源驱动器设计要能够在满足高效率甚至高PF(功率因数)值后,仍能输出高稳定度及高精准度的电流十分重要。经由选用适合的电源方案可以确保LED芯片寿命在可以控制的范围内,避免不正常的LED光衰。

  在驱动电源本体中,多数半导体组件可以承受较高的环境温度。然而有部分元件如电解电容,寿命条件对环境温度有极高的要求。除了在元件选用规格上可以选择较长寿命之规格外,在电路设计上也可以经由选用适当的电源方案,获取较高的电源转换效率,进而降低灯具内电路热能堆积。

  Fairchild的Donghye Cho给出的更好地解决散热或光衰等问题的办法是,采用余量控制的线性平衡技术?金属芯PCB是减少驱动电路所产生热量的良好替代方法,否则,正向电压可能会随着温度而变化。在某些情况下,也可以考虑采用温度补偿电路来减少发热问题。

  “寿命”的定义随着行业的不同而变化,半导体器件的有用寿命定义为发光水平较其原值衰减50%的时间。对于照明行业,特定灯泡类型的平均寿命则是50%的这类灯泡的寿命点。LED的寿命取决于其封装配置、驱动电流以及工作环境。较高的环境温度会大大缩短LED的寿命。

  为了减少光衰,在应用电路的设计方面必须提高功率因数和精确连续电流控制。

  安森美的郑宗前指出,LED照明设计的重要挑战包括管理温度及排热或散热,从而保持LED的工作温度低于它们的结温。实际上,LED从基底发光。LED在产生光的过程中,也会产生热量,且这热量会使LED的结温度升高。由于LED是半导体器件,因此跟任何半导体器件一样,LED工作温度低于其150℃的最大结温度非常重要。更确切地说,建议LED工作温度始终低于100℃;一旦高于100℃,LED的可靠性可能会受到影响。要解决好散热问题,需要提升驱动电源的转换能效和应用更高光效的LED,采用提供强固热故障保护性能的LED驱动芯片和散热性能更好的驱动芯片封装,以及散热性能更好的LED基板等。

要延长LED寿命,除了散热问题,还须应对潜在的静电放电(ESD)损伤问题 。在LED模块封装中集成ESD保护是一种适合的解决方案。ESD保护可以应用为LED发射器裸片旁边的额外裸片,或在更紧凑的布局中用作上面粘接LED发射器裸片的次级贴装(submount),参见图6。

  普诚萧恩煦称,驱动电源与LED寿命的不匹配,是目前LED灯具寿命降低的一个因素。目前照明上的LED电源仍多采用电解电容,线路较为复杂,外围元件较多,使整体灯具的寿命大打折扣。在LED灯泡的照明领域,未来的驱动方案将以无电解电容、驱动芯片高度集成化为主流。同时,驱动芯片需解决自身以及所控制器件的发热问题,这也是灯具热源不可忽略的一部分。

  全彩LED显示屏及标牌

  去年上海世博会一共用了十亿颗LED,其中绝大部分用于RGB(红绿蓝)三色LED组成的灯外墙显示,例如中国馆的清明上河图。

  奥地利微电子消费与通信部平板光源业务市场经理Markus Luidolt称,用于户外显示屏背光等苛刻应用的寿命长达10万小时的LED已开发出来。

  赛迪的张晓康具体分析指出,在LED显示屏驱动芯片领域,全彩LED显示屏所用的恒流驱动IC将会成为市场竞争的主要战场,能够满足LED显示更高均匀性与可靠性,集成度更高,功能更加丰富、成本更加低廉的LED显示屏驱动IC已成为目前乃至未来产品研发和市场关注的焦点。

  近日,TI推出一款带 4 通道分组式延迟的串行控制 16 通道恒流LED 驱动器——TLC59282。TI中国区电源产品业务拓展工程师吴涛详细解释了该产品推出的种种考虑。因为目前16通道是整个市场的趋势,也不排除8或24通道的芯片,但8和24更多是针对一些特殊应用和某些客户的芯片。此次发布的TLC59282芯片支持的电流范围是2~45mA,其中数字2和45都很重要。2意味着它支持每通道最低2mA,这有什么好处呢?现在LED显示屏分普通和高亮LED。对于普通LED显示屏,其驱动电流一般是15~20mA。高亮LED虽然贵一些,但可以把驱动电流降下来,比如可以在8mA或5mA的工作电流就使LED显示屏达到同样的亮度。如果LED驱动器最少支持的电流也是5mA,它稳流的精度和长期使用的寿命都会有缺陷。通常我们要给指标留一些余量。对一个5mA应用来讲,通常LED驱动器要保持3~4mA才可以保证5mA能有很好的应用。因此,2mA为什么重要?因为它可以支持高亮LED。另外,普通LED在白天用时,由于有日照,把LED灯打得很亮才能看得清;但晚上可以把LED灯电流显著降下来。所以正常使用15mA的时候,到了晚上可能只需要5mA或8mA电流。还有,对于一些低灰度画面,可能需要更低的电流,比如显示人穿着灰色西装,要LED开很短的时间,或者让LED亮度很低,低电流就能保证低灰度时LED的使用。

  45mA主要针对LED需要大电流的时候。如果LED显示的是静态屏,那么一个通道接一颗灯,LED的电流是15~20mA。如果是扫描屏,一个通道一共有4个灯接上,通过MOS管做切换,这时需要把LED灯的电流拉上去,即在某些应用上,LED灯需要40~50mA的驱动电流才能正常工作。所以针对静态显示屏,LED工作电流15~20mA就够了,但扫描屏需要30~40mA的电流。

  因此,2mA的好处是可以满足低灰度高亮度小电流的LED的显示需要,45mA可以满足扫描屏的需要。

  中大尺寸LCD面板LED背光源

  赛迪的张晓康称,随着大尺寸LCD面板LED背光源市场的逐渐启动,其驱动IC将成为热点,这对于驱动IC的通道数量、输出电压、输出电流的稳定性、驱动IC的可靠性、电路保护功能、成本与价格的控制等各方面提出了更高的要求。

奥地利微电子Markus Luidolt称,总体来说,LED背光所需的驱动电流正在不断增加,例如,应用于大型LCD背光的LED,去年其驱动电流通常为50~100mA,而进入2011年,其驱动电流几乎翻了一倍,在3D电视中驱动电流甚至高达300mA。

  影响LED芯片的驱动力中,LED的光输出以及成本的下降是主导因素。每流明的成本,即用户为照明所付的费用正在迅速降低。散热也很重要,因此优化PCB(印制电路板)布局非常关键。而更重要的则是避免热耗散,与其在散热方面做出额外的努力,不如采用更有效的驱动器架构,如LED电源的智能调节。

  研发动向方面,在非常薄的LED电视和超薄手机中,LED的光输出越来越多,而封装则变得越来越纤薄。采用更好的色域使照明变得更加自然也是业内重要的发展动向。对于奥地利微电子等LED驱动器制造商来说,需要更紧密地与LED制造商进行合作,从而开发出切合最新LED技术发展趋势的驱动器解决方案。

  普诚科技萧恩煦介绍道,用于液晶显示电视的背光技术主要区分为直下式与侧照式两种。

  直下式背光技术可以依照画面不同部分的亮度变化,快速微调LED的亮度,因此其LED驱动器的每一输出通道电流需要具备能够被独立控制的功能。由于直下式相对需要使用更多的LED,因此克服散热问题以集成更多通道为未来直下式驱动器的发展趋势。而侧照式背光技术使用的LED个数相对较少,因此其驱动器需要输出较大的驱动电流以提供相同的亮度。

  侧照式目前大多只提供调光功能,电流输出信道的控制相对单纯,因此相对直下式来说,较容易将直流对直流转换器集成在一起。对于侧照式驱动器来说,如何提高输出电流与提供耐压以增加LED驱动个数,将成为脱颖而出的具体关键。

  车灯

  凌力尔特电源产品部产品市场总监Tony Armstrong介绍了车灯应用状况:奥迪公司是第一家在多种车型中使用 LED 前灯的汽车制造商,早在 2008 年就已开始使用了。奥迪的汽车照明系统包含两个起主要作用的近光前灯,该系统由两个 LED 阵列组成,每个 LED 阵列都含有 4 个有源组件。另外 3 个 LED 阵列 (每个含有2个 LED IC) 位于光学透镜的后面,它们的任务是控制明/暗分界线和前灯照明范围。就远光前灯而言,4个LED 阵列位于与近光阵列相邻的地方。靠近照明系统的下边缘,一排 24 个 LED 组成白天行车灯 (DRL)。不过,正是这些白天行车灯使奥迪汽车外观新颖,其外观非常受购车族的欢迎。不久后,很多其他制造商都跟风而上,奔驰、捷豹、雷克萨斯和保时捷等,也都提供类似的白天行车灯了。

  而 LED 前灯系统在采用上却落后了,这主要归因于成本。不过,2011 年出现的一些早期迹象似乎表明这种状况将开始发生变化,因为事实上,LED 允许设计时更加灵活地进行选择,同时 LED 效率的提高使成本/性能得到了更有利的平衡。因此,现在我们看到,凯迪拉克、丰田和雷克萨斯的各种车型都将 LED 前灯作为可选配件提供。例如,凯迪拉克凯雷德、雷克萨斯LS600H和丰田普锐斯可以选配 LED 前灯。

  Maxim认为LED已被广泛地应用于汽车后灯,并且现在正被用于汽车的白昼行驶灯、位置指示灯、远光灯和车头的短焦距灯。在该领域,人们面临的主要问题是要有可靠性非常高的LED驱动器——应能够在输入电压和温度变化范围较大的环境下工作;此外,驱动器必须能够防止出现短路或其它故障。Maxim已经开始重视这个市场,其所采用的驱动器IC能够在上述的严峻环境下工作,同时,IC上集成了多种起保护作用的元器件,从而减少了元器件的数量,降低了解决方案的成本。

为了适合汽车级应用,需要对LED及芯片进行改装。例如,日本罗姆产品一般采用耐热性高的陶瓷封装,-40~130℃。而一般采用树脂和耐硫化封装。

  便携式应用

  凌力尔特介绍了移动电话上相机闪光功能。今天很多移动电话有内置数码相机功能。相机性能的提高也导致需要大功率白光光源,以在室内或昏暗的环境光线条件下使用相机。在配备相机的蜂窝电话中,白光 LED 已经成为主要的光源,因为白光 LED 拥有新式蜂窝电话设计师所希望的各种特点:小尺寸、大的光输出、能提供“闪光灯”和连续“视频”物体照明。目前已经开发出专门用作集成式相机光源的大输出功率 LED。

  奥地利微电子Markus Luidolt称,总体来说,LED照明所需的驱动电流正在不断增加,例如两年前手机闪光灯应用中LED驱动电流范围为300~800mA,而现在则变为1000mA、2000mA甚至更高。

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  罗姆1930年就开始生产LED,致力于小型化方向研发。在市场上尤其受到好评的是1006尺寸(1.0mm×0.6mm),厚度仅为0.2mm的小型LED芯片产品——PICOLED系列,堪称最薄产品,面向小型电子设备的显示灯以及背光灯等用途的产品。该系列之一的PICOLED-eco,能够在1mA的低电流范围内实现以往产品2倍的亮度(图7)。据悉,已有多家厂商在手机键盘上采用了PICOLED-eco。

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  部分公司新产品及研发动向

  飞兆最新成果是采用了高压工艺的线性电流平衡控制器。

  安森美半导体 从系统角度出发,提供考虑电、热和光等多种因素的高可靠性产品,包括丰富的AC-DC和DC-DC供电高能效LED驱动解决方案等。

  普诚科技 从事LED驱动芯片开发多年,近期已打入日本LED市场。另还针对未来高功率因素的需求,开发了PFC集成系列驱动IC。

  罗姆 正在开发采用可控硅调光的LED驱动IC,特点是可进行可控硅/PWM/线性调光,适用于各种调光应用(调光比0.2%~100%)。同时也在开发由多种LED元件、驱动器IC以及照度传感器组合而成的独特系统。

  TI 线性的AC/DC LED照明解决方案上,只提供一个电源变换的芯片。还有一系列开关型芯片,含降压型、升降压型和升压型等,如TPS62110、TPS54160等。

  奥地利微电子 LED驱动器产品线专为实现高效率而优化,可延长移动设备的电池使用寿命,令LED电视变得更加纤薄。

 

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