據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Strategies Unlimited的LED市場(chǎng)研究總監(jiān)Ella Shum，去年全球封裝高亮度LED銷售額大增93%,，達(dá)到108億美元,。其增長(zhǎng)主要來(lái)自電視和監(jiān)視器以及移動(dòng)設(shè)備的背光。

　　Shum指出,，盡管目前全球?qū)τ诎压虘B(tài)LED光源用于照明很感興趣,，但高亮度LED市場(chǎng)去年在總體銷售額中僅占8%。但她預(yù)計(jì),，2010-2015年高亮度LED照明領(lǐng)域?qū)⒃鲩L(zhǎng)39%左右,。

　　ElectroniCast Consultants最近公布的市場(chǎng)研究報(bào)告認(rèn)為，去年美國(guó)消費(fèi)的LED燈泡價(jià)值4.85億美元,。該公司預(yù)測(cè),，以2015年該數(shù)字將達(dá)到16.4億美元(圖1)。

　　LED照明優(yōu)缺點(diǎn)

　　LED比其它類型光源更受青睞,，原因并不神秘,。據(jù)美國(guó)能源部的固態(tài)照明研究與開發(fā)計(jì)劃，與高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈泡,、熒光燈管和節(jié)能燈(CFL),、鹵素?zé)艉桶谉霟粝啾龋琇ED具有更高的效能和更長(zhǎng)的壽命,。

　　一只冷白光LED的最大效能是132流明/瓦(l/W),，而白熾燈只有區(qū)區(qū)的15流明/瓦，二者的壽命分別為5萬(wàn)與1千小時(shí),。而LED照明所使用的功耗只是白熾燈的20%,，這在全球都日益重視節(jié)能的今天是非常重要的優(yōu)點(diǎn)。

　　但價(jià)格較高是其缺點(diǎn),。飛利浦AmbientLED A19替代燈的成本約為40美元,，而白熾燈則不超過(guò)1美元。LED的長(zhǎng)奉命與節(jié)能優(yōu)點(diǎn),，可以彌補(bǔ)這種缺點(diǎn),。預(yù)計(jì)到明年，二者的成本差距將縮小到目前的四分之一,。

美國(guó)能源部估計(jì),，如果所有的人都改用固態(tài)照明，那么到2020年,，所節(jié)省下來(lái)的電力可以滿足3200萬(wàn)個(gè)家庭的需求,。LED已經(jīng)節(jié)省的電能，相當(dāng)于25萬(wàn)個(gè)家庭的用電量,。

　　另外,，LED輸出水平已經(jīng)達(dá)到150流明/瓦，而且還在繼續(xù)上升。幾家LED廠商生產(chǎn)的高亮度LED,，可以提供顏色范圍較寬的照明,。例如，Cree公司生產(chǎn)的LR6筒燈,，采用了獲得專利的顏色混合方法,，所發(fā)出的光可以媲美白熾燈，但功耗要比白熾燈減少85%,，而壽命是它的50倍(圖2),。

　　作為替代白熾燈的節(jié)能產(chǎn)品，LED燈泡的效能水平不斷改善,，價(jià)格下降,。例如，LEDtronics PAR系列LED燈泡比白熾燈節(jié)能90%(圖3),。

　　這些LED燈泡可以使用120V交流電,，也可以在90-290V交流電范圍內(nèi)調(diào)光，采用愛(ài)迪生中等螺口燈座和G824針插式燈泡,，包括PAR20(7W),、30(12W)和38(15W)多種類型。據(jù)稱這些產(chǎn)品的能效比上一代LEDtronics PAR燈泡高20%,，可以直接替代功率高達(dá)100W的白熾燈和鹵素?zé)簟?/p>

　　LED燈泡購(gòu)買成本只是總體擁有成本中的一個(gè)因素,，后者不僅涉及較低的能源成本，而且還有較低的維護(hù)與更換成本,。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室估計(jì),，今天的LED照明是白熾燈燈泡終生擁有成本的兩倍，是熒光燈擁有成本的10倍,。但該實(shí)驗(yàn)室同時(shí)預(yù)測(cè)，到2020年,，LED照明的擁有成本將是白熾燈的10分之一,，是熒光燈的二分之一。

　　各企業(yè)和組織希望每年能在能源成本上面節(jié)省數(shù)以萬(wàn)計(jì)的美元,，這是推動(dòng)照明方式向LED轉(zhuǎn)變的主要力量,。許多商場(chǎng)、店鋪,、辦公室和大樓內(nèi)外裝飾,，都在轉(zhuǎn)向LED。橋梁,、隧道,、公路、街道、停車場(chǎng),、舞臺(tái)和機(jī)場(chǎng)也在紛紛采用LED照明,。

　　從事設(shè)計(jì)、開發(fā),、制造與銷售高效率LED解決方案的Lighting Science Group報(bào)告稱,，正在忙于在上述場(chǎng)所安裝其高性能與超高效率的燈，如Definity MR16系統(tǒng),。在Simon Property Group的商場(chǎng)攤位,，這些燈正在用于替換原來(lái)的鹵素?zé)簟Ｔ摴颈硎?，其完全可調(diào)光Definity產(chǎn)品的效率比鹵素?zé)舾?0%,，光輸出比許多其它光源高50%。

　　LED設(shè)計(jì)者與用戶面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是,，光源與驅(qū)動(dòng)電路之間沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化接口,。歐洲的Zhaga聯(lián)盟發(fā)起了一場(chǎng)全行業(yè)的行動(dòng)，為L(zhǎng)ED光引擎開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范,。LED光引擎是擁有規(guī)定接口的LED模組,，而這些接口與光引擎內(nèi)部使用的LED技術(shù)類型無(wú)關(guān)。

　　Zhaga將使不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品個(gè)有互換性,。通過(guò)為各種專用光引擎定義接口,，就可以實(shí)現(xiàn)互換性。Zhaga標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋物理尺寸,，以及LED光引擎的光學(xué),、電氣與熱性能。

優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)LED是一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù),。這是因?yàn)長(zhǎng)ED照明的應(yīng)用可能發(fā)生改變,。效率與顏色準(zhǔn)確度等性能參數(shù)會(huì)受到LED驅(qū)動(dòng)方式的極大影響。德州儀器照明電源產(chǎn)品部策略營(yíng)銷總監(jiān)Peter DiMaso解釋道：“LED驅(qū)動(dòng)方式可以影響效能,、色溫和色移(由發(fā)熱導(dǎo)致)以及閃變效應(yīng),。”

　　德州儀器C2000微控制器單元(MCU)營(yíng)銷總監(jiān)Patrick Carner認(rèn)同這種看法。他也指出,，德州儀器宣稱其Piccolo MCU可以用于LED驅(qū)動(dòng)器解決方案,，允許設(shè)計(jì)者“進(jìn)一步深入數(shù)字電源控制所使用的硬件和軟件”。該公司的C2000 dc-dc LED照明開發(fā)者工具顯示出,，驅(qū)動(dòng)單一或多個(gè)共享功率極所需要的正確電源拓?fù)?圖4),。

　　德州儀器C2000系統(tǒng)與應(yīng)用工程部門的Brett Larimore指出：“妨礙設(shè)計(jì)者使用LED的一個(gè)主要因素是如何處理軟件，而Piccolo控制工具簡(jiǎn)化了所有這一切,。它一步一步地讓你了解整個(gè)設(shè)計(jì)流程,。”

　　利用高電流和低堆疊電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)LED,，并且需要滿足能源之星和Lighting Facts Label要求以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)，成為一種挑戰(zhàn),。Lighting Facts Label是由美國(guó)能源部與環(huán)境保護(hù)署(EPA)共同制訂的,。一種對(duì)策是使用較少的LED元件，以更高的電流來(lái)驅(qū)動(dòng),，以獲得更高的光輸出水平,。

　　使用較少的LED，意味著可以降低產(chǎn)品成本,，但未必有利于改善EPA所要求的效率水平,。實(shí)際上，效率水平傾向于下降,，人們?cè)谠缙贏19和E27燈泡的改裝應(yīng)用中注意到這種情況,。電源效率水平太低。

　　隨著輸出光水平提高,，LED驅(qū)動(dòng)變得更加復(fù)雜,。根據(jù)Haitz定律，對(duì)于給定的光線波長(zhǎng)(顏色),，封裝LED的單位流明成本每10年下降10倍,，每個(gè)LED封裝產(chǎn)生的光量則提高20倍。隨著光輸出不斷提高,，封裝LED的有效性在某些應(yīng)用中(對(duì)于1千米左右的住宅照明和10千米左右的商業(yè)照明)將變得更加有限,。

　　雖然今天的技術(shù)能夠輕松滿足這些LED的需要，但在未來(lái)幾年,，LED將限制在特殊應(yīng)用領(lǐng)域,，而且商業(yè)意義有限，除非LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)與熱管理方面的技術(shù)創(chuàng)新得到極大發(fā)展,。在這方面,，固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)正在取得令人矚目的穩(wěn)步進(jìn)展，但未來(lái)幾年能否保持這個(gè)走勢(shì),，仍需拭目以待,。

　溫度過(guò)高是LED殺手

　　當(dāng)以較高的電流驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，LED的表現(xiàn)處于變化之中,。較高的電流不僅帶來(lái)較高的輸出流明,，而且會(huì)顯著提高溫度使之遠(yuǎn)高于LED所處的環(huán)境溫度,。有人估計(jì)70%的LED效能以熱量形式散發(fā)了,，必須通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鱽?lái)消除熱量。這與LED想要取代的傳統(tǒng)白熾鎢絲燈泡形成鮮明對(duì)比,。

　　據(jù)國(guó)家半導(dǎo)體的資深開發(fā)總監(jiān)Jeff Perry,，100W白熾燈泡的效率只有2.2%,，而市場(chǎng)上質(zhì)量最好的LED效率只有30%左右。但是,，白熾燈的大部分熱量通過(guò)紅外輻射方式散發(fā),。LED則不是這樣，它需要利用散熱器和風(fēng)扇控制熱量,。溫度越高,，意味著壽命越短和可靠性下降(圖5)。

　　緩解這個(gè)問(wèn)題需要從多方面入手,，既要改善LED性能,，同時(shí)也要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)。電源管理IC廠商正在為固態(tài)照明開發(fā)效率更高的LED驅(qū)動(dòng)電路,。

　　早期固態(tài)照明產(chǎn)品所使用的老式LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?，主要是?duì)原有電壓調(diào)節(jié)方案的修改，在今天的LED中已難以見(jiàn)到,。另外,，用于固態(tài)照明的LED都是專用的。例如,，A19/PAR型改裝燈泡使用的LED不同于勝于街道照明和MR16應(yīng)用的LED,。認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)，LED廠商現(xiàn)在提供專用LED元件,。

　　新型LED驅(qū)動(dòng)器更加復(fù)雜先進(jìn),。它們能夠感知驅(qū)動(dòng)電流水平，能夠在電流超過(guò)建議水平時(shí)加以調(diào)節(jié),。它們也能夠補(bǔ)償發(fā)熱與老化導(dǎo)致的變化,，保證穩(wěn)定的光輸出。而且它們的熱保護(hù)電路可使過(guò)熱造成的LED損害程度降到最低,，更好地防止LED因過(guò)熱而失效,。

　各大廠商的設(shè)計(jì)方案

　　國(guó)家半導(dǎo)體的LM3464和LM3424驅(qū)動(dòng)器采用了一種熱管理方式，通過(guò)降低輸出來(lái)調(diào)節(jié)電流,，使LED保持在最大工作溫度范圍之內(nèi),。國(guó)家半導(dǎo)體還推出了LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器，以滿足歐洲EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn),，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率超過(guò)25 W的照明產(chǎn)品的總諧波失真規(guī)定了嚴(yán)格的限制(圖6),。為了達(dá)到功率因數(shù)校正(PFC)要求，該驅(qū)動(dòng)器使用PFC來(lái)使輸入電流與輸入電壓保持同相,。

　　意法半導(dǎo)體HVLED 805的離線LED驅(qū)動(dòng)器具有初級(jí)感測(cè)反饋(圖7),。這種高電壓PWM電流模式控制器，把一個(gè)低電壓PWM控制器與一個(gè)800V功率MOSFET組合在一個(gè)微波的SO16N封裝(8.75- by 3.99-mm)之中,。它使用交流電源工作,，精度在±5%以內(nèi),，并提供準(zhǔn)諧振零電壓開關(guān)功能。它面向E27和GU10改裝燈,。

　　安森美半導(dǎo)體的CS5171 LED驅(qū)動(dòng)器IC提供較高的效率,，而且可由高于或低于LED電壓的電源供電。它的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)湓试S其充當(dāng)dc-dc升壓調(diào)節(jié)器,。該芯片工作頻率為260 kHz,，效率約為65%，輸入電壓是4.0-V,。

　　IC驅(qū)動(dòng)器也可以用于越來(lái)越多的背光應(yīng)用這中,，包括電視、筆記本電腦,、手機(jī)和其它消費(fèi)電子產(chǎn)品,。Advanced Analogic Technologies的AAT14xx系列31-mA單通道升壓LED驅(qū)動(dòng)器，它能驅(qū)動(dòng)一串多達(dá)10個(gè)LED,。AAT14XX 具有1.15 x 1.55 mm的晶片級(jí)封裝 (WLCSP) 尺寸,。據(jù)該公司介紹，AAT14XX 系列提供10管腳 WLCSP 封裝,，尺寸比1.3- by 2.9-mm 的SOT23包裝小80%,，比2- by 2-mm 的QFN 包裝小55%。

　　Microsemi Corp.最近宣布了一款參考設(shè)計(jì),，能夠使成本較低的液晶面板產(chǎn)生質(zhì)量更高的圖像,。該設(shè)計(jì)利用了索尼的CXD473063定時(shí)與照明控制器，以及Microsemi公司面向3D液晶電視的DAZL! LED驅(qū)動(dòng)器技術(shù),。Microsemi公司的雙芯片解決方案包含DAZL! 2000系列32端口LX24232邏輯芯片,，以及8端口LX23108L LED驅(qū)動(dòng)器電源芯片。

　　驅(qū)動(dòng)成串LED,，比如照明應(yīng)用中每串多達(dá)20甚至更多的LED,，可能出現(xiàn)問(wèn)題。一只LED發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整串熄滅,。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,，Bourns LSP系列分流器可以保護(hù)LED燈串中的單個(gè)LED。

　制造良率是關(guān)鍵

　　LED在固態(tài)照明領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的采用,，在大型晶圓上面制造LED并取得較高的良率,，是降低其成本的關(guān)鍵。目前的多數(shù)LED是在基于GaN的2英寸和4英寸藍(lán)寶石晶片上面生產(chǎn)出來(lái)的,，存在良率不一致的問(wèn)題,，因此需要對(duì)顏色亮度、前向電壓和其它產(chǎn)變量進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)結(jié)果分檔,。

　　加上裝配與封裝步驟,，LED成本就會(huì)升得更高。目前的普遍良率是30%甚至更低,。實(shí)際上,，專家預(yù)計(jì)2020年以前都達(dá)不到40%或者更高。

　　LED制造商計(jì)劃未來(lái)幾年向6英寸晶圓過(guò)渡,，隨后是8英寸晶圓,，采用良率較高的外延MOCVD工藝。通過(guò)嚴(yán)格控制溫度,、回流和材料成分,，可以做出那么大的晶圓。LG電子去年開始在6英寸晶圓上面生產(chǎn)LED,。Philips Lumileds和Lextar也接近做到這點(diǎn),。有些公司將于明年生產(chǎn)8英寸晶圓樣品。

        “如果LED產(chǎn)業(yè)將來(lái)繼續(xù)增長(zhǎng),，動(dòng)力一定是來(lái)自普通照明領(lǐng)域,，”歐洲光電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(EPIC)秘書長(zhǎng)Tom Pearsall表示，“而且這有賴于所有方面持續(xù)取得重大進(jìn)展,，涉及從基礎(chǔ)研究和材料一直到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造效率,。”EPIC是一個(gè)非營(yíng)利組織，致力于在歐洲推廣和發(fā)展LED產(chǎn)業(yè),?！?/p>