LED照明市场引爆对LED驱动器的巨大需求

LED照明市场引爆对LED驱动器的巨大需求

　　早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大约每经过18到24个月可提升一倍的亮度，这就是著名的Haitz定律(图1)，也被称为LED行业的摩尔定律。根据这个定律，具有突破性质的亮度达100lm/W的LED约在2008~2010年间出现。实际上，2006年6月日本日亚化学公司就推出100lm/W白光LED工程样品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下最小光通量为100lm的高亮度LED。

图1 LED大约每经过18到24个月提升一倍的亮度

　　研究显示，仅仅在美国，如果55%的白炽灯和55%的日光灯被LED取代，每年将节省350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量，LED节能高效的优点以及不断下降的成本使之逐渐成为白炽灯和荧光灯的替代光源。中国在2006年2月9日公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》中，把“高效节能、长寿命的半导体照明产品”列入中长期规划第一重点领域的第一优先主题，“十一五”规划的十大节能重点工程就是绿色照明，在公用设施、宾馆、商厦、写字楼以及住宅中推广高效节能的照明系统，这预示着LED照明市场的庞大市场潜力。据预测，到2020年，LED照明市场的规模将达到1550亿美元，因此，将产生引爆对LED驱动器的巨大需求。

　　高效LED驱动器要求结合多种驱动技术

　　LED照明系统的电/光转换过程从供电部分开始，依次包括电源管理和转换、驱动器、热管理、传感和控制、LED、混光和散射、光学提取等部分，如图2所示。从中可见，LED照明系统的电/光转换效率，不仅仅取决于LED，而且取决于各个电子和光学部件，因此，提高电/光功率的转换效率是一个巨大的系统工程，需要全行业的协调配合及努力。

图2 LED照明系统的电光转换过程

　　在LED驱动器领域，Aston科技园负责固体照明研究中心(SSLRC)的业务开发总监Geoff Archenhold认为，驱动LED工作的技术有许多，其中主要分为：

　　*直流驱动：单色LED驱动，但效率最高;

　　*脉宽调制(PWM)：多色彩LED驱动;

　　PWM的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度，使得输出电压或电流等被控制信号保持稳定。PWM的开关频率一般为恒定值，所以比较容易滤波。目前很多产品都应用这种方案。

　　*脉冲幅度调制(PAM)：多色彩LED驱动;

　　*脉冲频率调制(PFM)：单色LED驱动;

　　PFM是通过调节脉冲频率(即开关管的工作频率)的方法实现稳压输出的技术。它的脉冲宽度固定而内部震荡频率是变化的，所以滤波较PWM困难。但是PFM受限于输出功率，只能提供较小的电流。因而在输出功率要求低，静态功耗较低场合可采用PFM方式控制。

　　*上述各种方法的组合;

　　他认为，LED及其驱动器所面临的挑战包括标准化的需求、热管理、提高光线的质量和降低成本等四大方面，核心问题是如何提高发光的效率，将来新智能型LED驱动器必须具备下列特性：

　　*高效率;

　　*AC/DC转换级和LED驱动器级的效率要大于85%;

　　*应具备闭环反馈的控制功能;

　　*能够监测和报告所有的系统参数;

　　*能够精密地控制电流(lt;5%的波纹);

　　*自动监测和补偿Vf下降;

　　*智能电压控制;

　　*光学反馈控制;

　　*智能电源系统单元(PSU)温度管理;

　　*对LED安装夹具的热管理;

　　Geoff Archenhold指出，在LED与封装夹具的光效一样的前提下，整个LED系统的效率主要取决于哪一个LED驱动器的效率更高，差距可能达到5%。

　　此外，Darnell Group公司的高级分析师Linnea Brush指出，对LED驱动器的需求数量应该按照功率来划分，因为每一种应用都可能采用大量的LED。如图3所示是对Darnell Group公司全球LED驱动器出货量的预测，其中可见lt;6W的LED驱动器市场增长最快这一趋势。

图3 全球LED驱动器出货量的预测

　　高效地实现电/光功率转换是竞争焦点

　　对于LED驱动器来说，重要的是产生预期LED亮度所需要的LED输入功率值。正如业内专家指出，以大电流驱动LED需要采用DC/DC转换器准确地调节电流，这个DC/DC驱动器必须高效率地工作，在驱动HB LED时尤其如此，否则的话，所有未转化成光的功率都将被转化成热量消耗掉。目前，提高效率的主要技术是提升PWM负载切换速度和降低控制环路中的电流检测电阻的数值。

　　例如，LTC3783采用True Color PWM调光技术，能够保证白光和RGB LED的颜色一致性，以数字方式实现3000:1的调光比。LTC3783是一种电流模式、多种拓扑转换器，具有恒定电流PWM调光能力，适用于驱动大功率LED串和LED组。它具有极快的PWM负载切换速度，无瞬态欠压或过压问题，可用作升压、降压、降压-升压、SEPIC或反激式转换器，以及用作恒流/恒压调节器。无RSENSE工作模式利用MOSFET的接通电阻，无需电流检测电阻，因而提高了效率。

　　另一方面，美信推出的MAX16819/MAX16820 HB LED驱动器仅需一个外部MOSFET和少量无源器件，可驱动高达3A电流的LED。每个器件均可以驱动多达6个串联LED，提供从1W到25W以上的输出功率，效率高达94%。与通常用于驱动HB LED的通用降压控制器不同的是，MAX16819/MAX16820驱动器采用滞回控制。通过这一控制技术，驱动器可以保证在PWM调光期间的快速瞬态响应和导通/关断时间。此外，通过采用真差分检测技术可以精确控制LED电流，利用外部PWM信号轻松实现较宽的亮度调节范围。PWM调光采用专用的DIM输入实现高达5000:1的调光范围或极高的调光开关频率(高达20kHz)。

　　此外，在Vishay Intertechnology公司的SiP12510和SiP12511电流模式升压转换器中，采用了线性和PWM技术以及低至0.1V反馈电压的技术实现了高达90%的转换效率。

　　在欧洲，Integrated System Technologies是领先的LED驱动器设计制造商，它推出的210瓦3信道iDrive 1000 LED驱动器集成了拥有专利的PWM驱动技术和ColourCool散热管理系统，其高功率密度和领先的PSU效率的组合，确保具有小尺寸和不需要大块的散热片。这个使iDrive系列解决方案为固态照明制造商提供了一个高质量电源解决方案。

　　在LED驱动器领域，中国半导体公司积极介入。例如，士兰微电子股份有限公司也推出了一款降压型、PWM控制、功率开关内置的白光LED驱动芯片—SB42510。该款芯片是DC/DC功率LED驱动电路，三种不同的规格可以满足1W，3W以及5W的白光LED的驱动。SB42510采用先进的BCD工艺，输入电压可以达到25V，输出电流可达1A。驱动单颗LED时，效率可以达到88%;驱动两颗及多颗LED时，效率可以达到95%以上。SB42510芯片工作频率在360kHz左右。此外，英诺华微电子推出的IV0101/IV0102升压转换器芯片。它的控制模式是在PFM基础上改进的PFM/PWM控制技术，采用是PFM与PWM有机结合的控制方式，因而具有PFM较快的响应速度和很高的回路增益及PWM大电流输出特性，可与PWM调光相配合，成为理想的中小功率LED恒流驱动芯片。

　　对LED驱动器的多种需求催生新的设计工具

　　随着大功率LED照明中的普及应用，功率型LED驱动器的发展越来越重要。用城市用电驱动大功率LED不仅仅需要解决降压和恒流问题，还要求具备比较高的转换效率、较小的体积、长时间工作、较低的成本并解决抗电磁干扰的问题。目前，对LED驱动器的正产生下列新的需求：

　　*体积要求小型化

　　随着LED向普通照明的逐渐普及，大功率LED电源设计的小型化发展是一个必然的越势，以帮助制造生产出能够替代现有照明灯的LED灯，这就对LED驱动器提出了新的挑战。

　　*多种保护和诊断功能

　　LED在电流过强时，引起LED光学特性衰减，导致LED的寿命缩短，这就需要驱动器提供过流保护、过热保护、短路保护等保护功能，以及LED驱动器故障诊断功能。

　　*抗电磁干扰

　　目前，因空间和成本限制，市场上有很多LED灯的设计并不符合传导EMI规范，目前，美国UL正在着手开发一系列涉及LED产品的安全评定标准。Power Integrations公司已经捷足先登，利用其LinkSwitch-TN功率转换IC中的频率调制特性，可以使LED灯满足EMC规范的要求。

　　面对诸多的应用需求和众多的LED驱动器解决方案，LED驱动器的选择将是设计工程师面临的难题。利用在线仿真工具进行LED驱动器的选择和设计将成为重要的发展趋势。例如，美国国家半导体公司(NS)在串联或并联、升压或降压转换器上都有一系列的整体解决方案，通过与大功率LED制造商—如OSRAM、Phlips Lumiled、日亚、Avago—合作，NS提供在线开发工具LED WEBENCH，从输入设计信息开始，到选择LED驱动程序、建立BOM表、最优化效率、在线模拟验证，乃至于产出参考设计等，为工程师在开发过程中提供了最有效的工具。

　　结语

　　目前，LED照明行业已经开始大规模进入路灯照明领域，在9月初举行的中国(深圳)国际光电博览会上可以验证这一点。在这次博览会的高层论坛上，南京汉德森半导体照明有限公司梁秉文宣称，“LED照明是永远的朝阳产业”，因此，可以预期LED驱动器技术有望伴随着LED照明产业兴起而为半导体行业的发展注入巨大动力。

　　参考文献：

　　1. Kevin Dowling, PhD, SSL Essentials: Technology, Applications, Advantages, Disadvantages, P6,P10.

　　2. Geoff Archenhold, An Incredible Year for LEDs :The story so far! P9,P11.

　　3. LED恒流驱动与不同控制模式的比较, www.icembed.com/info-17849.htm

　　4. 成本年降15%HB-LED取代传统照明指日可待, www.ofweek.com/html/news/1/20078212919.html

　　5. 2007中国光电产业高层论坛会议资料全集, P114.

　　6. Linnea Brush, LED driver market emphasizes high-power requirements, P9, LEDS MAGAZINE Issue 6 April 2006

来源：电子产品世界/作者：周智勇