LED照明驱动市场现状及技术发展趋势

    一，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开始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。预计随着LED技术的发展，到2012年其发光效率将达到150流明/瓦，1000流明的成本将不足5美元(资料来源：OIDA)，届时LED有望成为室内照明的主要来源。

    2008年的北京奥运会通过众多具体的产品形态和新技术的应用为绿色奥运、科技奥运、人文奥运等理念做了完美诠释。LED显示产品，在2008年北京奥运会的广泛应用，更是光芒闪烁，为2008北京奥运会增添了绚烂异彩。

    近几届奥运会中，LED显示幕都是奥运比赛场馆不可或缺的主要设施。2008年北京奥运会新建和改建的体育场馆数量众多，规模空前，奥运场馆均采用了大量LED显示幕作为比赛实况播放和计分显示的设备，显示幕产品以全彩色、高解析度、数位化等为主。可以说，2008年北京奥运会所采用的LED显示产品从数量到技术水准以及应用方面都达到了一个新的里程碑，这其中众多国内LED显示产品制造企业担当了重要的角色。

    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。

    二，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。就LED电源企业而言，2009年100W左右大功率电源市场的增幅将会有很大的提升。源于100W左右的LED光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比，以及很快形成产业规模的LED路灯和景观照明市场。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。

    2009年，虽然金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。

    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。同时要降低成本，目前在功率较小(1～5W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。    

    三，LED驱动电源的展望

    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。

    四，LED驱动IC成长性值得期待

    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。

    五，2015年LED驱动IC市场营收达到近35亿美元

    据市场研究机构StrategiesUnlimited预测，LED驱动（LEDdriver）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（compoundannualgrowthrate，CAGR）为12%。该机构并指出，LED背光所需的LED驱动IC，会是该市场的成长主力，热门应用包括侧光式电视与显示器，LED照明则是下一个具潜力的应用。

    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（dimming）技术、省电效能、功率因子（powerfactor）与价格。

    1、主要供货商以国际IC大厂为主

    LED驱动IC由于控制电子产品的LED发光质量，因此芯片的质量及稳定度相当重要，相较之下，国际大厂设计能力较佳，品牌知名度与质量保证也有较高水平，在此一市场占有较大的占有率，而在价格方面，由于LED驱动IC占终端电子产品的成本比重相当低，厂商通常不会以价格做为首要考虑，主要是产品特性与产品信赖度能达到要求，而且在LED驱动IC通过电子产品认证进入供应炼后，一般也不会轻易更换供应厂商。

    2、全球前10大LED驱动IC供应商占产值的55%

    数据统计显示，全球前10名的LED驱动IC供应商，占据了整个产值的55%，约30集成电路供应商和下属制造商分享了余下的44%。

    随着美国国家半导体公司被德州仪器收购，德州仪器是目前排名第一的LED驱动IC供应商。德州仪器（TI）在2010年拥有17%的市场份额。美国国家半导体公司（NSC）排名第二。尽管国家半导体公司已经被德州仪器收购，但直到2011年底才会彻底并入德州仪器。因此两家公司在2011年仍然彼此独立。Mitess表示，TI和NSC两家公司合并后，将会牢牢占据LED驱动IC四分之一的市场。

    在技术方面，凭借着先进的高压BCD工艺，能够在200毫米或更大直径的晶圆上进行生产制造，在未来的LED驱动器市场，德州仪器将发挥至关重要的作用。

    3、台企来势汹汹，加快布局LED驱动IC

    据了解，LED急剧扩张下，企业纷纷争夺驱动IC市场。台湾地区，台积电、联电、鸿海、台达电等龙头厂商为掌握led灯源和背光源模块关键组件，竞相部署旗下的LED驱动IC厂。除此之外，为拓展营运版图，国内奇美、友达两大面板龙头的垂直整合布局已从LED扩展至LED驱动IC，聚积科技不断推出新技术产品，为品牌摇旗呐喊。

    相关数据显示，2011年，台湾整体LED驱动IC需求量达2.7亿颗，出货将增128.4%。随着台湾IC设计业者在产品技术陆续到位后，将以较优异的供应链弹性和较低价格，相比国际IC厂商，获得更强劲的出货量。因此，预估2011年，台湾驱动IC将达1.3亿颗，较2010年5740万颗大幅成长128.4%，优于同期国际晶片供应厂商52.2%成长幅度。

    4、内地led驱动ic供货商能否崛起？

    “首先台湾聚积的驱动IC在市场上占领主导地位，随着降价的普遍，聚积也会降低价格，只要略微降一点点，其他的客户就会接收”，张总表示目前聚积的驱动IC在台湾，及国内外一些大企业的LED显示屏都有身影。

    未来市场是一家独大还是百家争鸣，LED驱动IC的市场究竟谁主沉浮？士兰微陈帮勇说，他预料，中国大陆本地驱动及控制IC供货商将由分散逐渐走向集中，且随着本土LED显示屏驱动及控制IC在性能指针上的快速提升，已经可以跟海外的产品相媲美。

    他说，由于大陆本土IC供货商有着良好的服务和较低的价格，在LED显示屏的驱动及控制领域，预料大陆本土IC的市场占有率会进一步提升。

    对于中国市场，美国国家半导体亚太区市场经理黎志远引用iSuppli公司对中国LED驱动器IC市场的预测，在全球经济和电子产业沉陷衰退之际，中国LED驱动器IC市场快速增长，预计2013年，中国LED市场将达到1.39亿美元。

    业内人士预测，在未来3到5年内，国内将会产生驱动IC的龙头企业，形成鼎立局面。

    六，LED电源和驱动电路主要技术概况

    1、电压变换技术

    电源是影响LED光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。目前我国的市电是220V的交流电，而LED光源属半导体光源，通常是用直流低电压供电，这就要求在这些灯具中或外部设置AC-DC转换电路，以适应LED电流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种，根据电流稳定性，瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。

    2、电源与驱动电路的寿命与成本

    LED寿命方面，虽然单颗LED本身的寿命长达10万小时，但其应用时必须搭配电源转换电路，故LED照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用LED,为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过10万小时，使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一，在半导体照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。

    3、驱动程序的可编程技术

    LED用作光源一个显著的特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效率，同时对于R.G.B.多晶型混光而形成白光来说，通过开发一种针对LED的数字RGB混合控制系统，使用户能够在很大范围内对LED的亮度，颜色和色调进行任意调节，给人以一种全新的视觉享受。在城市景观亮化应用方面，LED光源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化，形成夜晚的多姿百态的动态效果，在这方面将体现LED相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。

    4、电源与驱动电路的效率

    LED电源与驱动电路，既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向电流输出，又要有较高的转换效率，电光转化效率是半导体照明的一个重要因素，否则就会失去LED节能的优点，目前商业化的开关电源其效率约为80%左右，作为半导体照明用电源，其转换效率仍须进一步提升。

    七，LED驱动技术发展趋势

    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。

    五、LED照明驱动方案选择    

    1，1W至8W方案

    1W至8W的低功率LED通用照明应用包括G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌灯等。这类应用的输入电压范围在交流90至264V之间，恒流输出电流包括350mA和700mA两种，能效要求为80%，还要求提供短路和过压保护等特性。这类应用可以采用安森美半导体的NCP1015自供电单片开关控制IC。该器件集成了固定频率(65/100/130kHz)电流模式控制器和700V的高压MOSFET，具备构建强固的低成本电源所需的全部特性，如软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点及动态自供电功能(无需辅助绕组)等。

    NCP1015既可用于隔离型方案，也可用于非隔离型方案，见图1。

    图1基于NCP1015的1W至8W隔离型(a)及非隔离型(b)LED照明方案

    值得一提的是，“能源之星”新版固态照明标准的一个重要特点是要求多种住宅照明产品的功率因数最低达到0.7。这类LED照明应用的功率一般在1W至12W，最适宜采用隔离型反激电源拓扑结构。但是，现有标准设计技术的功率因数通常不到0.6。要改善功率因数，轻松符合“能源之星”要求，可结合优化的NCP1014LEDGTGEVB评估板，采用安森美半导体的离线型8WLED驱动器参考设计。

    安森美半导体的NCP1014LEDGTGEVB评估板可驱动1至8颗大功率高亮度LED。该设计基于集成了带内部限流功能的高压电源开关的紧凑型固定频率脉宽调制(PWM)转换器NCP1014构建。由于NCP1014采用固定频率工作，电流不能上升到高于某个特定点；导通时间的限制使输入电流将跟随输入电压的波形，从而提供更高的功率因数。评估板电路图见图2。 

 图2NCP1014LEDGTGEVB电路图

    2，8W至25W方案(无PFC及有PFC)

    在8W至25WAC-DCLED照明应用中，一种方案不要求功率因数校正(PFC)，另一种需要符合“能源之星”固态照明(SSL)规范规定的强PFC要求。该标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，商业应用须大于0.9。 

    不需要PFC的8W至25WAC-DCLED照明的典型应用如PAR30、PAR38和嵌灯。这类应用的输入电压要求为85至135Vac或185至264Vac，能效要求大于80%，提供短路保护及开路保护等特性，恒流输出电流为350mA、700mA及1A等。为此，可以采用安森美半导体的NCP1028或NCP1351。NCP1028是一款增强型单片开关控制IC，提供800mA峰值电流，还提供过功率保护、内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性，适合在通用宽电源输入应用中提供几瓦至15W的输出功率。

图3基于NCP1028和NCP1351的8-15/25WAC-DCLED照明方案（无PFC）

    要求PFC的8W至25WAC-DCLED照明的典型应用同上，输入电压规格为90至264Vac，其他指标与不需要PFC的应用相同，而功率因数要求高于0.9。这类应用适合采用安森美半导体的NCL30000单段式功率因数校正LED驱动器。单段式拓扑结构无需专用PFC升压段，减少了元器件数量，降低了系统总成本。NCL30000满足IECC类谐波含量要求，可直接驱动LED，具备精确恒流输出控制，在5W至15W较低输出功率时能效高于80%，典型能效高于83%，并支持TRIAC等现有调光方案。 

图4基于NCL30000的8-25WAC-DCLED照明方案（有PFC）

    3，50W至200W方案

    功率高于50W的AC-DCLED应用广泛用于街道照明及大功率区域照明。其输入电压规格为90至264Vac，功率因数高于0.9，能效大于85%，提供短路及过压保护，恒流输出为350mA、700mA和1A。此类应用可以采用单段式PFCLED驱动器NCL30001、CrMPFC+QRPWM驱动器NCP1607+NCP1377，以及CrMPFC+LLCPWM驱动器NCP1607+NCP1397或NCP1392/3，以满足不同需求。 

图5基于NCL30001的40-150WAC-DCLED照明方案

    4，便携设备及液晶电视LED背光方案

    随着LED性能及成本的改善，现在LED被广泛应用在便携设备和大尺寸LCD背光中。便携应用要求延长电池使用时间，减小占板面积和高度。安森美半导体的多种低压便携产品背光应用LED驱动器方案可用于线性、电感型及电荷泵型等不同拓扑结构。其中，电感型方案总能效最佳，电荷泵型方案的占板面积和高度最小，线性驱动器则适合简单背光应用。

    安森美半导体的CAT3200、NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、NCP5603等支持电荷泵方案的不同调光型产品，如单模、双模、三模或四模方案等。以NCP5623为例，这是一款高能效LED驱动器，带有I2C接口，内置渐进调光功能，特别适用于驱动手机等便携产品的RGBLED装饰光和增强型LCD背光。它可实现94%峰值能效和低于1微安的待机电流，将便携设备电池工作时间延至最长。该器件封装极小，仅需4个无源元件，并具备短路和过压保护功能。

    采用NCP1397和CAT4026的46英寸液晶电视背光方案由LED背光转换器(NCP1397等器件)和LED控制器(CAT4026等器件)组成。安森美半导体的NCP1397初级端控制器配合带正向电压监测功能的6通道线性LED驱动器CAT4026等器件，支持低高度LED背光液晶电视设计，使电路板上高度低于8mm，总高度低于12.5mm，还可以很好地处理宽范围调光、散热、故障保护等问题，使电源设计挑战迎刃而解。

    CAT4026是应用于大尺寸侧光式LED背光液晶电视的多通道线性LED驱动器的高性价比方案，可以单颗IC支持6通道，且易于分级为多达12个或18个通道(相应采用2个或3个控制器)，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，该驱动器还提供正向电压监测功能，可以限制总体功耗；还能为LED开路及过多LED短路等不同LED串故障提供保护。

    图6基于CAT4026的液晶电视LED背光方案 

    5，汽车照明LED驱动方案

    LED在汽车照明中的应用多种多样，不同应用对LED电流的要求又各不相同，故需要结合具体应用要求，选择适合的LED驱动器方案。

    安森美半导体针对LED汽车前照灯系统开发了NCV78663电源镇流器及双LED驱动器。NCV78663是先进的高可靠性、高能效的系统级芯片(SoC)LED驱动器，支持达2A电流，提供高于90%的总能效，驱动高达60V电压的多串LED，能以PWM调光维持色温及控制平均电流，使设计人员能够以一颗高集成度的SoC控制远光灯及近光灯、日间行车灯、转向指示灯及雾灯，所需外部元件极少。这器件通过SPI接口与外部微控制器通信，在上电后动态地控制系统参数、检测LED工作状态并反馈诊断信息。图4显示的是NCV78663在先进的汽车前照灯应用中的电路图。

图7基于NCV78663的汽车LED前照灯应用电路图

   此外，安森美半导体针对尾灯、方向灯、刹车灯及车顶灯等系统的驱动器主要有NUD4001及NUD4011线性LED驱动器。这两款器件的设计均用于在交流-直流应用中替代分立方案，设计人员能够利用外部电阻针对不同LED阵列设置驱动电流。不同的是，NUD4001适合于5V、12V或24V的低压应用，而NUD4011则最高支持200V电压。图5是用NUD4001器件驱动一个200mA的LED的车厢顶灯电路。  

   图8：用NUD4001器件驱动一个200mA的LED的车厢顶灯电路