大功率LED驱动IC设计技术

Sony在2004年所发表的40寸及46寸LCD用LED背光模块Qualia 005，在采用450颗3原色LED之后，耗电量就高达450W以上，不过随著技术的提升，Sony在2007年所销售的70寸LED背光液晶电视的耗功率已经大幅下降到200W，所采用的3原色LED数量还是450颗，这样的数字是相当惊人的，因为利用2年左右的时间，就可以将耗电量减少一半，并且可支持的面板尺寸也将近增大1倍。

图说：背光模块Qualia 005，在采用450颗3原色LED之后，耗电量就高达450W以上。

在追求广色域的目标之下，全球液晶电视厂商纷纷导入LED背光结构，当然这并不是一件简单的事情，除了成本的考量之外，耗电量是一个液晶电视迈向降低耗电量时代。

姑且不管Sony是如何达到这样的技术目标，事实上，降低电视背光耗功率的技术研发一直在全球业者之间不断的进行著，而在2006年初，根据日本媒体的报导，当时32寸液晶电视总耗电量为180W左右，预计到2006年下半，当时被称为主流尺寸的32寸液晶电视，总耗电量有可能降低到100W以下。

但是如果转换成目前主流的40寸液晶电视，详细的作法观念是，基于液晶电视每年都以15%左右的比例降低耗电，所以到2006年底以前，总耗电量将会降低到230W左右(270W X 15%)，如果再加上能够提升背光模块技术的话，就有机会将背光模块的耗电量降低40%，如此一来总耗电量就将近159W，依照这样的进步速度，2010年时，总耗电量就可以达到100W。当然，在这样目标之下所指的背光还是冷阴极管。

液晶LED背光已被市场所期待

但是无论如何，LED背光模块已经是被市场所期待的技术之一，也就是说，所面对的高耗电课题，已经是不得不去解决的了，因为对于大尺寸的液晶电视来说，有将近60%的电力是消耗在背光模块上，不过要降低总耗电量并不是只有LED背光这个单一的方面，另外还包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热效应现象等等，也都是辅助降低总耗电量的技术。

目前根据应用的不同，LED的点灯方式也有所不同，大多的液晶电视多采用直下式的背光，而包括监视器以及小尺寸应用的产品，都是以侧光式为主，这是由于双方对于辉度与演色性需求差异下的区隔。一般来说，监视器多是使用侧光式的RGB3原色的点灯方式，如果是更小尺寸的应用，例如是车载导航用面板、手机面板、PDA用面板等等，就多是使用白光LED的侧光方式，不过侧光白光LED的背光方式，已经逐渐朝向大尺寸化发展，目前包括有部分的笔记型计算机也开始采用侧光白光LED的背光模块，因此在外型的设计上，更能达到薄型化、高弹性的目标，虽然白光LED在红色表现部分，有演色性不足的问题，但是因为笔记型计算机大多是用来进行文书等等静态画面显示，期望达到与液晶电视相通同质量的用户毕竟不多，所以，基本上演色性不足并不是太大的问题，不过当然还有可以克服的方式，例如在白光LED的阵列中加入红光LED等等，这些方式也一一的被背光模块业者所克服。

图说：目前根据应用的不同，LED的点灯方式也有所不同，大多的液晶电视多采用直下式的背光。(三星电子)

引颈期待高效率高辉度的LED

但是如果期望实际的普及3原色LED背光，相信还有很多的问题需要解决，甚至于要耗费数年的时间。其实说穿了根本关键还是在成本，因为对于液晶电视而言，所需要的是高辉度，所以必须采用1W以上高效率、高辉度的LED，在加上因为是直下式入光，所以3原色LED使用的颗数，有可能会因为面板尺寸的增加而增加LED使用颗数，但是如此的作法又会带来另外的问题，那就是热效应会因为3原色LED使用数增加而爆增，如此一来那就必须采用更多的散热鳍片、风扇、散热管等等来维持模块内的温度，此外，使用数量庞大的LED，而为了使色调统一，除了要严谨的筛选发光波长相同的LED之外，还必须采用Color Sensor来调整RGB色差，但所造成的影响便是成本的增高，因而无法有效的让售价符合消费者的期望值。不过这并非绝对的，另也可以使用其它的技术来达到面板尺寸增加，而不必使用太多的3原色LED数量。

不过，期望降低LED背光模块的耗电量并非是背光模块与液晶电视系统业者所需要努力的，其实对于LED芯片业者来说，也扮演著相当重要的角色，因为如果芯片业者的努力能够强化LED发光效率的话，那么LED对于电力的需求也就因此而大幅度的降低，而所得到的效益也就会直接反映在LED背光模块上。

图说：要降低总耗电量并不是只有LED背光单一方面，包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热效应现象等等，也都是辅助降低总耗电量的技术。

热效应问题是老生常谈却不易解决

最近这几年来，LED芯片业者相当积极的开发高亮度LED芯片，最实际的做法就是如何让LED能够支持更大的电流，来让LED产生更大的辉度，以目前的规格来说，一颗面积30um2 的LED所能承受的最大电流为30mA左右，这样的结果还是无法符合在应用上「让LED产生更大的辉度」的需求，因为市场所期望的是能够在面积为1mm2 的LED芯片中导入350mA的电流，让单芯片产生更高的内部量子效率，如果驱动电压是3V的话，那么换算之后，被流入LED的电力就有将近1W左右。

但是，并不是一味地提高电流量就可以了，因为根据经验，所流入的电力有4分之3左右，都会产生热效应，也就是说，只有4分之1(0.25W)会转换成光，而0.75W左右的电力，都会便成热效应。而热效应所带来的困扰，众所周知，LED会因为温度而改变光波长，并且降低发光效率，造成画质的演色偏差。

对于LCD背光用的白光LED开发课题来说，不仅仅是提高LED的发光亮度，还必须包括辉度均一性、高色彩演色性、提高使用长寿等等的挑战，因此在完成高电流的LED芯片之后，如何封装在热传导率大、热容量大的材料上，就成了业者相当重要的课题。

藉由封装提升光输出功率

目前照明推进协会预计，100 lm/W的白光LED将会达到每流明1日圆的实用化阶段。达到LED的平均演色评价数提高，萤光粉的开发就扮演了相当重要关键，因为利用萤光粉搭配蓝光LED所得到的模拟白光LED，在波长上对于红色和绿色的显现能力较为薄弱，所以也有业者开始开法利用紫外光LED搭配RGB萤光粉。但是这样的作法还是有其复杂性的，因为并不能将各个颜色萤光粉单纯的混合，因为如何达到接近自然白光的输出就是一个难题。不过有关发光特性均匀性，一般认为只需要改善白光LED的萤光粉材料浓度均匀性，与萤光粉的制作技术，应该可以克服上述困扰。

就技术上，如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW，配合高阶技术的封装能力，获得100lm/W的白光输出并不困难，以今天的技术而言不是困难的课题，例如包括Cree、日亚等等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片。紧接著之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装业者的能力。

但是在提高电流输入的同时，所带来的热效应，是一个非常严谨的问题，因为必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题。目前的做法包括了：降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。