解析LED驱动市场产业现状及未来趋势

2013-09-27 09:16:25来源: OFweek 半导体照明网

    在LED照明市场的强劲驱动下,也带动LED驱动市场成长,LED驱动规模逐渐攀升,据市场研究机构预测,LED驱动IC市场营收规模将由2010年的近20亿美元,在2015年达到近35亿美元,期间平均复合年成长率为12%。该机构并指出,LED照明所需的LED驱动IC,会是该市场的成长主力,照明、汽车头灯等LED的新兴应用市场大量涌现,掀起了LED的又一波应用狂潮。

    不过StrategiesUnlimited也指出,LED驱动市场规模扩大的同时,可能伴随产品价格的下滑;此外,AC-LED产品虽使得所需驱动IC数量缩小、甚至不需要驱动IC,但并不会对预测期间的该市场营收产生显著冲击,甚至有助于加速LED照明产品市场渗透率成长。StrategiesUnlimited估计照明用LED驱动IC市场成长率,在2010~2015年间可达40%;该领域技术所面临挑战包括可调光技术、省电效能、功率因子与价格。

LED驱动电源的使用现状

    标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑,美国一些州和其它一些国家已经禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡,其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%,但却含有有毒物质汞。相比之下,LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。

    LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代,但因其光输出极低,应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今,能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升,价格也在逐年下降,因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。

    通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进,高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升,除了传统的背光和显示面板市场外,高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。

    LED驱动电源面临的问题:在LED大放异彩的同时,LED驱动电源器则是LED产业链的发展的保障,LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源的成熟也至关重要。由于LED是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻,LED不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数,因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

    但是在市场一片繁荣的背景下,LED产品质量良莠不齐,对驱动电源的要求混乱,市场上LED产品如火如荼的发展态势下,就LED驱动电源企业而言,目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED节能效果的发挥。第三,以大调光比高效率地对LED调光,同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

争夺应用“潜力股”IC架构掀革新

    在环保呼声高涨的今天,节能照明技术已经越来越受到大众的重视,欧、美许多国家甚至立法以规范照明管理。LED照明技术以其低功耗、长寿命的优势当之无愧的成为了节能照明技术的“排头兵”。

    除了演出照明、景观照明、住宅照明、防火照明等传统照明市场之外,汽车前灯照明市场也是LED照明技术发展的大好空间。TonyArmstrong甚至认为:增长最快的LED驱动器集成电路市场是汽车前灯照明,从现在到2011年,年复合增长率将超过150%。一个流行的应用领域是很多汽车和卡车的仪表板背光照明、内部照明和刹车灯。豪华型汽车制造商正在越来越多地采用最新的固态LED照明技术,用这些更轻、更小和更耐用的器件提供内部和外部照明,以提高未来车型的美感。

    于是针对各种照明应用,如何提高LED发光效率成为LED驱动厂商们目前最为关注的话题。为了尽快推动LED照明市场的快速增长,各个厂商也相继推出了一系列优秀的LED驱动产品。由于发光二极体(LED)驱动积体电路(IC)架构掀革新。LED驱动IC商已开始部署高功率LED驱动IC方案,将金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)独立于LED驱动IC封装外,以因应商业照明市场日益高涨的高瓦数照明需求。

    LED驱动IC顾名思义,即是应用于在LED上的驱动芯片,主要是用来控制通过LED的电流,以达到使LED发光的效果,受惠于LED的应用面不断扩大,LED驱动IC的发展也不断进步,产业规模持续扩大,成长性值得期待。

    LED发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果。由于发光亮度由电流大小决定,通过LED的电流越强,亮度就越亮,因此,电流的稳定度将影响LED发光的质量,一般在控制LED电流的方法会采用供应固定电压的方式,并以电阻的方式调整通过LED的电流强度,这是成本最低的解决方案,这样做的缺点是,电阻不但增加功耗,无法达到节电的效果,也会增加热能,降低LED寿命,同时,当电源供应来源的电压产生变化时,无法及时调整通过LED的电流量,因而可能产生LED发光不稳定的现象。

    由于控制LED电流的要求提升,LED驱动IC的需求亦应运而生,预估在LED背光源应用大幅成长以及LED大型广告牌分辨率持续提高下,采用可提供精确电流的LED驱动IC将成为市场的主流。

    意法半导体技术行销经理吴玉君表示,今年下半年意法半导体LED驱动IC架构将会有新的转变,并带给客户更多的产品组合选择。

    意法半导体(ST)技术行销经理吴玉君表示,今年LED照明市场最主要的转变在于客户对于高功率LED照明灯泡类型如抛物面镀铝反射灯的需求上涨,此种聚光灯型经过电路串联后,往往需要30~40瓦的功率才能启动。

    吴玉君指出,由于之前居家照明用的球泡灯仅需12瓦左右功率即可运作,因此,MOSFET大多由于空间限制,便与LED驱动IC封装在一起。不过,这样的封装形式不仅限制驱动IC应用的LED灯瓦数,更重要的是若MOSFET导通电阻值(RDS(ON))低,则将以高电流运作,以提高效率,但其若同时与驱动IC放在一起,反而会让灯泡整体功耗变高。

    英飞凌(Infineon)电源管理及多元电子事业处资深经理张文贵亦有相似看法,他指出,烛光灯、球泡灯等封装形式较小的LED灯可采整合式方案,至于户外LED照明应用,则因其常有雷击透过电力线传导到接地线,进而对LED路灯照明品质产生干扰的情形,为提高驱动IC可靠度,1,000伏特(V)以上的高压MOSFET将成为重要关键。

    张文贵进一步指出,在这样的应用中,若将MOSFET独立于驱动IC外将是较好的安排,原因在于MOSFET与驱动IC于制程上有高低压之分,若将两者放在一起,结果将是MOSFET与驱动IC的功能将无法在电路设计过程中确实优化,厂商还须要加上更多元件补强功能,如此一来,整体电路板成本反而未必能因整合而降低。

    吴玉君指出,意法半导体针对LED市场最新趋势,将于今年第四季推出新的脉宽调变(PWM)LED驱动IC,并额外搭配800伏特MOSFET,这样的驱动IC架构将有助于意法半导体抢攻高功率LED照明应用市场,并带给客户更多的设计弹性。

LED驱动技术发展趋势

    从目前市场了解来看,LED日光灯管式结构应用会较好发展。从家居照明来看,合适的照明强度还是需要10W以上节能灯具产品。荧光灯大多在7~15W功率,节能型日光灯在20~40W功率。如果用LED集中设计10W以上的功率,散热会令我们很头痛,也是影响成本的重要因数,显然像灯泡结构式的产品很不适合LED应用。像射灯这样产品不大可能规模量产民用。日光灯管式结构符合LED散热要求,也符合现有灯具接口方式。

    厂商从成本考量,大多设计功率在20W以内的LED灯管,从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求,待LM值达到150LM/W时,才是LED照明大呼节能辉煌时代!未来的方式是,先恒压,再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要,按LED有不同的Vf值3~3.6V之间,那按LED实际数量乘于3V计算出最低值,再按3.6V电压乘于数量计算出最大可能电压值,最终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流,可以多路恒流源并联使用,也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差,调整合适负载需求电压,从而达到高效、灵活的驱动线路需求。

具体表现为以下四点:

    1、针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路,利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值,使得LED能获得稳定的电流,并产生最高的输出光通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。

    2、LED驱动电路具有智能控制功能,使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。

    3、在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。

    4、在目前LED光效和光通量有限的情况下,充分发挥LED色彩多样性的特点,开发变色LED灯饰的控制电路。

关键字:LED  LED驱动  LED照明

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2013/0927/article_9448.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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