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LED照明市场前景看好 高亮度驱动技术推波助澜

——专访美国国家半导体中国区电源管理产品应用工程师程文涛

记者:陈楠



LED照明将成为照明市场的明日之星,这已成为业 内共识。相对于传统光源,LED在显色性、使用寿命、工作效率、环保及抗干扰等方面,均具有不可替代的优势。随着成本的降低、功效的进一步提高,LED将 在汽车电子、家庭照明、大屏幕平板显示器的背光以及更高功率的照明应用中成为主流产品。

LED发展迅速,以流明每瓦的性能指标为例,不难发现在当前市场上,很容易找到几十个流明每瓦的LED产品。根据美国能源部提供的数据显示,20年内,LED的发光效率即将达到峰值,进入一个较为成熟的阶段,预计该阶段将实现200流明每瓦的性能指标。这也意味着未来10年内,高亮度LED市场将迎来更为广阔的发展空间。根据美国国家半导体对2006年到2010年高亮度LED市场的展望,手机应用、背光领域、照明应用及汽车相关领域将成为高亮度LED市场的主要增长方向。以照明应用为例,据美国市场调查公司Strategies Unlimited 的调查结果显示,用于照明的高亮度发光二极管的2005年总销售额达2.05 亿美元。而预计这个市场的总销售额平均每年增长36.9% (复式计),至2011 年总销售额将会增至10 亿美元左右。无可否认的是,LED市场仍存在着发展瓶颈,其主要制约因素包括产品成本、市场接受度、更小的封装体积及光强和颜色一致性要求等。美国国家半导体相信只有市场和技术的相辅相成,才能促成高亮度LED稳定健康地发展。


美国国家半导体LED驱动技术

当前,高亮度LED包括三类常见规格:1W、3W及5W。目前,1W到3W的市场接受度较高,众多LED厂商已具备针对该市场的产品研发能力。然而,5W及以上领域,市场接受度尚低,供应商数目有限,因而整个市场尚未成熟、稳定,但预计随着市场的发展,它将应用于某些对发光效率及发光强度有更高要求的专业照明应用,如矿井用照明设备等。
LED驱动电路,从本质上即是一种电源转换电路,只是LED驱动电路输出的是恒定电流而非恒定电压。相对于以往Ф5灯简单的给高就亮、给低就灭的驱动需求,高亮度LED对LED驱动电路有更为严格的要求,它需要考虑众多因素,包括亮度控制、色纯度、对比度及温度补偿等,因此现今LED驱动已转变为功率处理的问题。

照明系统的发展历史(略)

LED驱动电路须尽量减少电流检测损耗,市面上已有的方案中,最简单的是电阻限流法,但其效率较低,同时,电阻会耗散热能,削弱了LED的低功耗优势。而其他两类方法中,线性稳压器法,其精度较高 ,但也牺牲了效率;效率最高的开关稳压法,成本较高,却不可避免会带来 EMI干扰。

目前,美国国家半导体主要通过判断是升压LED驱动还是降压LED驱动,对驱动方法进行细分。其中,升压驱动多用于小功率、多个LED串联的情形。众所周知,LED电流与它的亮度、颜色直接相关,而串联能够保证每颗LED电流绝对相等,因此升压方式可以确保较高的工作效率。但其输出电压较高,同时,必须加设输出电容,防止明显的亮度变化。以美国国家半导体的 LM2735为例:每一次内部开关导通时,因为整流器件前端没有电压,因此如果不添加输出电容,LED会以开关频率闪动。升压方式的典型应用包括:便携式系统及液晶显示器的背光系统等。

降压驱动的最大特点是无须添加输出电容,程文涛先生表示,因为没有电容,很多人即认为它不是一种普通的典型设计 方式,其实 当驱动二极管时,很多情况下并不需要输出电容。降压驱动器的电感本 身即是一个恒流源,可以实现LED的恒 流驱 动。以快速调光为例,无须输出电容的做法可 以实现更高的调光频率。降压方式主要应用于 普通照明领域,美国国家半 导体的代表产品包括:LM3402/02HV、 LM3404及LM3405等通用照明产品,这些产品自 推出后,即获得了很好的 市场反映,具有很高的客户接受度。
同时,为了满足市场的多方位需求,尤其是矿井及以汽车为代表的电池供电设备等特殊应用场合的需求,美国国家半导体提供了基于可升降稳压器的驱动方法,即SEPIC稳压器,实现了低端或高端的电流检测。

就效率而言,虽然不同的客户及市场环境可能对应着不同的效率指标,但总体而言,美国国家半导体的LED驱动器的效率最低已达85%以上,满足大多数客户的基本要求。同时,针对LED客户,美国国家半导体在电源设计方面提供了强有力的在线设计工具WEBENCH,为客户带来极大的便利。客户只需输入简单指标,选择相应的LED生产厂商,点击开始,工具即可进行数据计算、绘制电路图、给出材料表单并进行电子仿真测试等,极大简化了设计流程,缩减了开发周期。

谈到如何立足于竞争激烈的高亮度驱动器市场,国半有哪些独特的产品策略时,程文涛表示:“当前各厂商对于该市场的定义和范围都不太一样。我们有自己独特的优势:即一系列的高压产品工艺。高压应用带给客户不可替代的优势,因为当电压范围变化时,只有采用很高的电压转换器才能驱动LED,其应用领域包括汽车、工业用照明及建筑用照明等。在高压应用场合,我们还没有遇到非常强劲的竞争对手,而这也将是我们重点发展的市场。而在低压应用场合,我们会丰富自己的产品功能,包括保护功能及照明领域极为重要的调光功能等。”

《世界电子元器件》2007.10
         
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