LED背光与照明中面临的挑战与主要解决方案

    由于在背光和照明等相关应用中的迅猛发展，以节能、环保和长寿命为卖点的led技术正在重新回到热点技术的行列中来。尽管业界还需要克服一些技术上的挑战来完善现有的技术，不过主要的半导体厂商都已纷纷推出了各具特色的解决方案。

    面临众多挑战

    对于许多刚刚接触LED技术的工程师来说，如何减少其在系统中的占用空间以及尽可能的提高亮度是他们选择LED方案供应商时首先碰到的问题。不过由于LED技术还处于起步阶段，供应商们还需要克服众多挑战。

    Cypress的EZ-Color产品营销经理Shone Tran认为，对于所有的大功率LED设计来说，器件分选(Binning)、温度、色准以及信号通讯可能是半导体方案供应商们正在面临的四项主要难题。不过具体到不同的细分市场还是有一些细微的区别。比如色准、温度和信号通讯是LED背光中最需要迫切解决的问题，而在汽车照明中，温度和色准控制技术的重要性要更高一些，至于通用照明，无论是方面都还需要进一步的完善。

    Tran关于细分市场要求不同的看法与安森美半导体亚太区电源管理部市场推广经理蒋家亮的意见不谋而合。不同的是，后者认为成本问题才是LED背光和通用照明中最重要的因素。至于汽车照明，他指出：“已有的方案还必须在可靠性上(比如能否经受严酷的环境温度)不断加强。”

    蒋家亮表示，LED技术要想在通用照明领域取得更多进展，就必须考虑如何更方便地替换现有的卤素灯和聚光照明灯等传统光源。“比如将LED和转换电路组装到小型的灯具当中。”而欧司朗光电半导体的LED市场总监Timon Rupp也持有同样的看法。欧司朗光电半导体目前主要关注的还是汽车和通用照明市场。其与照明大厂欧司朗的亲密关系令其对终端需求的体会比其他供应商更深。“LED技术正努力在通用照明领域同传统光源展开竞争。”Rupp表示，“半导体供应商遇到的最主要的挑战是如何在系统集成方面取得突破，比如提供更容易令消费者从传统光源转向这种新兴技术的所谓‘交钥匙’或者‘即插即用’的解决方案。”

    与其他受访者相比，美国国家半导体亚太区电源管理产品市场营销经理吴志民的意见要具体一些。“在驱动多个LED灯串的背光方案中，灯串间的电流匹配是主要挑战。而无论LCD电视还是汽车应用，都对对比度提出了较高的要求。”吴志民说。另外，他还指出，由于LED在通用照明领域的应用非常广泛，供应商还必须有能力提供拥有全范围输入电压的各种驱动器。

    “白光LED驱动器必须能够为特定的LED配置提供足够的电流和电压，并采用可满足输入电压范围以及所需的输出电压和电流要求的转换拓扑结构。”Linear电源产品组产品市场经理Tony Armstrong表示。他指出，一款绝佳的LED驱动器必须拥有下列特点中的部分或者全部内容：宽输出电压范围；高效转换；严格调节的LED电流匹配；低噪声、恒定频率操作；独立的电流和调光控制；外形紧凑、占板面积小、外部元件极少。

    主要解决方案

    EZ-Color是Cypress于去年夏天专门针对高亮度(HB)LED智能照明系统推出的一款基于闪存的可编程LED驱动器。它最多可控制16个HB-LED(CY8CLED16)，这比同类型的竞争产品要多出4~5个。为了尽可能加快设计人员的开发进度，该公司还同时提供了两款名为PSoC Express和PSoC Designer的设计工具。分别面向此前没有任何嵌入式设计经验的入门级用户以及嵌入式设计专家使用。同时提供的评估套件(CY3261A-RGB)还提供一个交互式图形界面，可透过CIE图表，或者是直接控制单个HB-LED进行快速颜色混合。EZ-Color还有分别可控制4个和8个LED的CY8CLED04与CY8CLED08可供选择。据悉，基于EZ-Color HB-LED驱动器，该公司还在开发一款光反馈解决方案，其中将采用颜色传感器来进行闭环的颜色准确度补偿。

    针对高端手机闪光灯应用，欧司朗光电半导体开发了CERAMOS和OSLUX产品线。该公司同时还提供面向汽车前灯(OSTAR Headlamp)和通用照明的产品(OSTAR Lighting)。特别要介绍的是这款通过了汽车安规验证并已开始提供样片的OSTAR Headlamp。它并没有采用透镜，但通过一个改进的转换器以及Thinfilm技术上的提升，其在工作电流为700mA的情况下获得了620lm和12W的峰值亮度和功耗，高达500lm的亮度典型值也是上代产品的两倍，这比目前已有的任何一款LED亮度都高。紧凑的封装形式令其能够同小型光学器件连接在一起，从而节省空间并赋予设计师更多自有发挥的空间。该公司将于2008年底开始量产这款产品。

    美国国半不久前刚刚发布了一款型号为LM3433的DC/DC同步降压恒流稳压器，它能够为投影仪和背投电视的大功率HB-LED提供稳定的负电流。由于允许多个LED阳极直接连接到接地点，这使得电路散热能力大大提高。此外，超过40kHz的PWM调光控制频率还促成了数字色温控制、干扰清除、场序照明以及亮度控制等技术的实现。由于采用固定导通时间，该器件也无需加接输出电容。该公司还将很快上市一款面向汽车以及LCD TV背光应用、集成了升压控制器的3通道恒流LED驱动器LM3431。它能够为3个LED灯串(每串最多可有10个LED)提供高精度的恒定电流。最大输出电流为150mA，在适当扩展后还能够驱动6个LED灯串。为了减少压降提高效率，LM3431还采用了阴极反馈稳压控制电路。采用PWM调光方式，最大调光频率25kHz，此时的对比度为100:1，而进一步降低调光频率后，对比度更可超过1,000:1。

    LED的应用多种多样，供应商需要提供各种不同的电路拓扑结构使得其在特定应用中达到最优的方案成本与性能。基于这样一个思路，安森美在其LED驱动器中采用了提高转换频率、采用低损耗拓扑结构、电荷泵等方法。比如利用其在充电器解决方案中的经验所推出的NCP1216，可方便地用于构建带有安全隔离或不带有安全隔离功能的解决方案。作为一款PWM控制器，能够配合一个外置MOSFET用于从10瓦到数十瓦的某些背光应用。此外，内置了一个MOSFET的NXP101X系列由于紧凑的封装非常适用于聚光照明等较小型应用。而低压直流-直流开关稳压器NCP3065则可用于LED灯的简单降压或升压配置。此外，如果同时需要PFC和电源转换，单段式PFC控制器NCP1651也是一个较好的选择。

    Linear也是LED驱动器市场的主要供应商。LT3595是该公司最新推出一款高性能LED驱动器，面向大尺寸TFT-LCD背光应用，16个独立通道最多可驱动160个(16×10)50mA LED。每个通道的调光可通过一个单独的PWM引脚来实现，调光范围5,000:1，16个通道间的电路匹配度为8%。LT3595还具备开路检测和热保护等功能。由于所有的电源开关、肖特基二极管和补偿元件都被集成进来，转换器电路板面积和元件成本都被大大降低。

    LTC3212是Linear专门面向便携式显示和照明应用中的RGB LED而推出的另外一款新品。能以高达25mA的电流来驱动3个LED(输入电压2.7V~5.5V)。由于仅需3个小电容器和1~3个编程电阻器即可构成一款纤巧完整的RGB或白光LED电流控制器和电源解决方案，这令其特别适合于小型的电池供电设备。其多模工作方式的充电泵可执行低噪声、恒定频率操作，以最大限度地抑制纹波。设计师可利用3个单独的电阻器来设置的LED电流源，进而控制LED的调光操作和亮度。当全部3个RGB LED均被设置为ON时，白光模式将对红光、绿光和蓝光LED电流比进行优化，从而实现最佳的白色光。