LED照明市場(chǎng)引爆對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的巨大需求

　　早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大約每經(jīng)過(guò)18到24個(gè)月可提升一倍的亮度，這就是著名的Haitz定律(圖1)，也被稱為LED行業(yè)的摩爾定律。根據(jù)這個(gè)定律，具有突破性質(zhì)的亮度達(dá)100lm/W的LED約在2008~2010年間出現(xiàn)。實(shí)際上，2006年6月日本日亞化學(xué)公司就推出100lm/W白光LED工程樣品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下最小光通量為100lm的高亮度LED。

圖1 LED大約每經(jīng)過(guò)18到24個(gè)月提升一倍的亮度

　　研究顯示，僅僅在美國(guó)，如果55%的白熾燈和55%的日光燈被LED取代，每年將節(jié)省350億美元電費(fèi)，減少7.55億噸二氧化碳排放量，LED節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)以及不斷下降的成本使之逐漸成為白熾燈和熒光燈的替代光源。中國(guó)在2006年2月9日公布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020年)》中，把“高效節(jié)能、長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品”列入中長(zhǎng)期規(guī)劃第一重點(diǎn)領(lǐng)域的第一優(yōu)先主題，“十一五”規(guī)劃的十大節(jié)能重點(diǎn)工程就是綠色照明，在公用設(shè)施、賓館、商廈、寫(xiě)字樓以及住宅中推廣高效節(jié)能的照明系統(tǒng)，這預(yù)示著LED照明市場(chǎng)的龐大市場(chǎng)潛力。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，LED照明市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到1550億美元，因此，將產(chǎn)生引爆對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的巨大需求。

　　高效LED驅(qū)動(dòng)器要求結(jié)合多種驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　LED照明系統(tǒng)的電/光轉(zhuǎn)換過(guò)程從供電部分開(kāi)始，依次包括電源管理和轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器、熱管理、傳感和控制、LED、混光和散射、光學(xué)提取等部分，如圖2所示。從中可見(jiàn)，LED照明系統(tǒng)的電/光轉(zhuǎn)換效率，不僅僅取決于LED，而且取決于各個(gè)電子和光學(xué)部件，因此，提高電/光功率的轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，需要全行業(yè)的協(xié)調(diào)配合及努力。

圖2 LED照明系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換過(guò)程

　　在LED驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，Aston科技園負(fù)責(zé)固體照明研究中心(SSLRC)的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Geoff Archenhold認(rèn)為，驅(qū)動(dòng)LED工作的技術(shù)有許多，其中主要分為：

　　*直流驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)紊獿ED驅(qū)動(dòng)，但效率最高;

　　*脈寬調(diào)制(PWM)：多色彩LED驅(qū)動(dòng);

　　PWM的原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)集成電路內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號(hào)保持穩(wěn)定。PWM的開(kāi)關(guān)頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。目前很多產(chǎn)品都應(yīng)用這種方案。

　　*脈沖幅度調(diào)制(PAM)：多色彩LED驅(qū)動(dòng);

　　*脈沖頻率調(diào)制(PFM)：?jiǎn)紊獿ED驅(qū)動(dòng);

　　PFM是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率(即開(kāi)關(guān)管的工作頻率)的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)。它的脈沖寬度固定而內(nèi)部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態(tài)功耗較低場(chǎng)合可采用PFM方式控制。

　　*上述各種方法的組合;

　　他認(rèn)為，LED及其驅(qū)動(dòng)器所面臨的挑戰(zhàn)包括標(biāo)準(zhǔn)化的需求、熱管理、提高光線的質(zhì)量和降低成本等四大方面，核心問(wèn)題是如何提高發(fā)光的效率，將來(lái)新智能型LED驅(qū)動(dòng)器必須具備下列特性：

　　*高效率;

　　*AC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)和LED驅(qū)動(dòng)器級(jí)的效率要大于85%;

　　*應(yīng)具備閉環(huán)反饋的控制功能;

　　*能夠監(jiān)測(cè)和報(bào)告所有的系統(tǒng)參數(shù);

　　*能夠精密地控制電流(<5%的波紋);

　　*自動(dòng)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償Vf下降;

　　*智能電壓控制;

　　*光學(xué)反饋控制;

　　*智能電源系統(tǒng)單元(PSU)溫度管理;

　　*對(duì)LED安裝夾具的熱管理;

　　Geoff Archenhold指出，在LED與封裝夾具的光效一樣的前提下，整個(gè)LED系統(tǒng)的效率主要取決于哪一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的效率更高，差距可能達(dá)到5%。

　　此外，Darnell Group公司的高級(jí)分析師Linnea Brush指出，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的需求數(shù)量應(yīng)該按照功率來(lái)劃分，因?yàn)槊恳环N應(yīng)用都可能采用大量的LED。如圖3所示是對(duì)Darnell Group公司全球LED驅(qū)動(dòng)器出貨量的預(yù)測(cè)，其中可見(jiàn)<6W的LED驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快這一趨勢(shì)。

圖3  全球LED驅(qū)動(dòng)器出貨量的預(yù)測(cè)

　　高效地實(shí)現(xiàn)電/光功率轉(zhuǎn)換是競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

　　對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，重要的是產(chǎn)生預(yù)期LED亮度所需要的LED輸入功率值。正如業(yè)內(nèi)專家指出，以大電流驅(qū)動(dòng)LED需要采用DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電流，這個(gè)DC/DC驅(qū)動(dòng)器必須高效率地工作，在驅(qū)動(dòng)HB LED時(shí)尤其如此，否則的話，所有未轉(zhuǎn)化成光的功率都將被轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉。目前，提高效率的主要技術(shù)是提升PWM負(fù)載切換速度和降低控制環(huán)路中的電流檢測(cè)電阻的數(shù)值。

　　例如，LTC3783采用True Color PWM調(diào)光技術(shù)，能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性，以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)3000:1的調(diào)光比。LTC3783是一種電流模式、多種拓?fù)滢D(zhuǎn)換器，具有恒定電流PWM調(diào)光能力，適用于驅(qū)動(dòng)大功率LED串和LED組。它具有極快的PWM負(fù)載切換速度，無(wú)瞬態(tài)欠壓或過(guò)壓?jiǎn)栴}，可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉(zhuǎn)換器，以及用作恒流/恒壓調(diào)節(jié)器。無(wú)RSENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無(wú)需電流檢測(cè)電阻，因而提高了效率。

　　另一方面，美信推出的MAX16819/MAX16820 HB LED驅(qū)動(dòng)器僅需一個(gè)外部MOSFET和少量無(wú)源器件，可驅(qū)動(dòng)高達(dá)3A電流的LED。每個(gè)器件均可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)串聯(lián)LED，提供從1W到25W以上的輸出功率，效率高達(dá)94%。與通常用于驅(qū)動(dòng)HB LED的通用降壓控制器不同的是，MAX16819/MAX16820驅(qū)動(dòng)器采用滯回控制。通過(guò)這一控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)器可以保證在PWM調(diào)光期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)和導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間。此外，通過(guò)采用真差分檢測(cè)技術(shù)可以精確控制LED電流，利用外部PWM信號(hào)輕松實(shí)現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。PWM調(diào)光采用專用的DIM輸入實(shí)現(xiàn)高達(dá)5000:1的調(diào)光范圍或極高的調(diào)光開(kāi)關(guān)頻率(高達(dá)20kHz)。

　　此外，在Vishay Intertechnology公司的SiP12510和SiP12511電流模式升壓轉(zhuǎn)換器中，采用了線性和PWM技術(shù)以及低至0.1V反饋電壓的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的轉(zhuǎn)換效率。

　　在歐洲，Integrated System Technologies是領(lǐng)先的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造商，它推出的210瓦3信道iDrive 1000 LED驅(qū)動(dòng)器集成了擁有專利的PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)和ColourCool散熱管理系統(tǒng)，其高功率密度和領(lǐng)先的PSU效率的組合，確保具有小尺寸和不需要大塊的散熱片。這個(gè)使iDrive系列解決方案為固態(tài)照明制造商提供了一個(gè)高質(zhì)量電源解決方案。

　　在LED驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，中國(guó)半導(dǎo)體公司積極介入。例如，士蘭微電子股份有限公司也推出了一款降壓型、PWM控制、功率開(kāi)關(guān)內(nèi)置的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片—SB42510。該款芯片是DC/DC功率LED驅(qū)動(dòng)電路，三種不同的規(guī)格可以滿足1W，3W以及5W的白光LED的驅(qū)動(dòng)。SB42510采用先進(jìn)的BCD工藝，輸入電壓可以達(dá)到25V，輸出電流可達(dá)1A。驅(qū)動(dòng)單顆LED時(shí)，效率可以達(dá)到88%;驅(qū)動(dòng)兩顆及多顆LED時(shí)，效率可以達(dá)到95%以上。SB42510芯片工作頻率在360kHz左右。此外，英諾華微電子推出的IV0101/IV0102升壓轉(zhuǎn)換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎(chǔ)上改進(jìn)的PFM/PWM控制技術(shù)，采用是PFM與PWM有機(jī)結(jié)合的控制方式，因而具有PFM較快的響應(yīng)速度和很高的回路增益及PWM大電流輸出特性，可與PWM調(diào)光相配合，成為理想的中小功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

　　對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的多種需求催生新的設(shè)計(jì)工具

　　隨著大功率LED照明中的普及應(yīng)用，功率型LED驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展越來(lái)越重要。用城市用電驅(qū)動(dòng)大功率LED不僅僅需要解決降壓和恒流問(wèn)題，還要求具備比較高的轉(zhuǎn)換效率、較小的體積、長(zhǎng)時(shí)間工作、較低的成本并解決抗電磁干擾的問(wèn)題。目前，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的正產(chǎn)生下列新的需求：

　　*體積要求小型化

　　隨著LED向普通照明的逐漸普及，大功率LED電源設(shè)計(jì)的小型化發(fā)展是一個(gè)必然的越勢(shì)，以幫助制造生產(chǎn)出能夠替代現(xiàn)有照明燈的LED燈，這就對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器提出了新的挑戰(zhàn)。

　　*多種保護(hù)和診斷功能

　　LED在電流過(guò)強(qiáng)時(shí)，引起LED光學(xué)特性衰減，導(dǎo)致LED的壽命縮短，這就需要驅(qū)動(dòng)器提供過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)等保護(hù)功能，以及LED驅(qū)動(dòng)器故障診斷功能。

　　*抗電磁干擾

　　目前，因空間和成本限制，市場(chǎng)上有很多LED燈的設(shè)計(jì)并不符合傳導(dǎo)EMI規(guī)范，目前，美國(guó)UL正在著手開(kāi)發(fā)一系列涉及LED產(chǎn)品的安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。Power Integrations公司已經(jīng)捷足先登，利用其LinkSwitch-TN功率轉(zhuǎn)換IC中的頻率調(diào)制特性，可以使LED燈滿足EMC規(guī)范的要求。

　　面對(duì)諸多的應(yīng)用需求和眾多的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，LED驅(qū)動(dòng)器的選擇將是設(shè)計(jì)工程師面臨的難題。利用在線仿真工具進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器的選擇和設(shè)計(jì)將成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)在串聯(lián)或并聯(lián)、升壓或降壓轉(zhuǎn)換器上都有一系列的整體解決方案，通過(guò)與大功率LED制造商—如OSRAM、Phlips Lumiled、日亞、Avago—合作，NS提供在線開(kāi)發(fā)工具LED WEBENCH，從輸入設(shè)計(jì)信息開(kāi)始，到選擇LED驅(qū)動(dòng)程序、建立BOM表、最優(yōu)化效率、在線模擬驗(yàn)證，乃至于產(chǎn)出參考設(shè)計(jì)等，為工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供了最有效的工具。

　　結(jié)語(yǔ)

　　目前，LED照明行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入路燈照明領(lǐng)域，在9月初舉行的中國(guó)(深圳)國(guó)際光電博覽會(huì)上可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。在這次博覽會(huì)的高層論壇上，南京漢德森半導(dǎo)體照明有限公司梁秉文宣稱，“LED照明是永遠(yuǎn)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”，因此，可以預(yù)期LED驅(qū)動(dòng)器技術(shù)有望伴隨著LED照明產(chǎn)業(yè)興起而為半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展注入巨大動(dòng)力。

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