Marvell三大创新驱动技术加速LED照明进入大众市场

在不久前落下帷幕的美国拉斯维加斯消费电子展（CES 2013）上，Marvell联合多个合作伙伴，以“智能家庭”系列产品为主题，推出了多项领先产品。而LED照明作为更加环保智能的照明方式，在“智能家庭”中扮演了重要的角色。不仅如此，在商业照明领域，LED照明的普及也在加速。盘点刚刚过去的2012年LED照明市场，被业内人士形象地称为“黑马”的Marvell公司在众多LED驱动方案商中脱颖而出，引发广泛关注。

日前，Marvell公司Green Technology Product技术营销总监Lance Zheng先生专程从美国飞到中国参加了由易维讯信息咨询主办的“2013产业和技术媒体研讨会”，特别分享了他对未来几年LED照明市场的发展趋势和创新方向的看法（图1）。


图1. Marvell公司参加在“2013产业和技术媒体研讨会”LED主题的演讲和展示。

LED照明市场的发展趋势
 
目前，Marvell LED照明市场的划分策略是室内照明和商业照明两部分。Lance对LED室内照明市场发展趋势提出了3点预测：首先，得益于LED灯具价格的不断下降，2014-2015年LED照明将会进入爆发式增长阶段。其次，整个市场将从非调光转到调光。最后，无线可调光LED灯出现。

“2012年LED灯成本不断下探。在美国市场，主流的60W 可调光LED灯泡价格已经由2011年的$40/只降到$20/只，2013年还会降至$10/只，而到2015年预计会到达$5/只的替代临界价格。所以2013年将是这一市场的关键年，而整个室内照明市场将在2014-2015年进入爆发式增长阶段。” Lance表示。

他还指出，成本在非调光灯泡和调光灯泡之间的差异正变得越来越小，主要的成本差别在于驱动。例如Marvell的驱动方案调光与非调光的成本差异仅为20%，所以这推动了LED照明市场转向调光。在美国，所有主流的零售渠道已经都转向调光方案，“去年，飞利浦推出了智能照明系统Hue，虽然价格非常高，但是市场的反映非常好。智能照明系统在2013年将会得到进一步发展。”

至于LED商业照明市场的发展趋势，Lance指出：第一、产业普及化在加速，如采用LED灯的商场、酒店、零售业、户外装置在增多，“举个例子，如美国的沃尔玛超市已经全面采用LED照明，其使用的Cree最新的LED照明灯具的商业回报周期已经缩短至1年左右。”

第二、基于DALI（数字化可寻址调光接口）标准的数字调光也开始在商业照明方面普及。DALI在10年前起源于欧洲，现在正得到普及和加速增长，在LED领域已经站稳了脚跟，并从欧洲向亚洲转移。它针对LED特定的功能，不只是调光，也可以调色。

LED照明走向大众化的三只“拦路虎”

尽管LED灯泡的价格在不断下降，但LED照明对普通消费者而言现在依然是昂贵的。成本居高不下，并且LED驱动电路的体积过大，成为LED照明走向大众的第一只“拦路虎”。

如下图2所示，替代可调光A19 60W 灯泡的LED 灯泡成本目前在$7-8左右。而这其中LED光源和驱动的成本占整个LED灯泡成本的第一和第二位。好消息是去年LED光源的价格下降了很多，不过由于以往LED驱动电路技术还没有很大的革新，所以LED灯泡的成本还是一直居高不下。


图2. LED光源和驱动的成本占整个LED灯泡成本的第一和第二位。

而LED驱动电路的体积也是个问题。日本是LED照明消费最大的国家之一，其最普及的灯泡E-17体积非常小。还有在欧洲非常火的GU10灯泡，同样体积非常小。而受限于有限的空间加之对LED散热的要求，要将LED驱动电路放进E-17或GU10这样小的灯泡是非常困难的事情。

LED照明走向大众的第二只“拦路虎”就是和现有照明架构的兼容性问题。这里最重要的就是可控硅调光器（dimmer）。市场上各种各样的调光器内部的工作原理并没有统一的标准。所以，当把LED驱动电子放入LED灯泡中时，就很难与各种调光器兼容。

“大家知道可控硅调光是非常古老的技术，它主要是给白炽灯使用的。一般的消费者去购买时，并不懂得把与其配套的调光器换掉。所以，当你用LED灯泡替换掉白炽灯灯泡的时候，性能就会有影响。例如，当你装了LED灯泡后，你会发现调到最低的时候并不是那么低，还可能会闪烁，更糟的是当调到光源最低时就再启动起不来。这就给消费者的使用带来很大的不便。”Lance进一步指出。

LED照明走向大众的第三只“拦路虎”当属消费者意愿。说LED可以节能、省电费，但是只有推出不一样的产品，才能激发消费者的购买欲望。“消费者期望值很高。毕竟一个白炽灯的价格低于50美分，而LED灯泡是10美金，所以消费者对附加值的期望就很高了，就像当初苹果iPhone推出时一样。而Marvell的驱动方案不只能够调光、还能够调色，若将这种额外的价值提供给消费者，就会让他们觉得买的值！” Lance表示。

LED照明普及化的关键在于LED驱动技术的创新

面对上述LED照明普及化过程中的诸多挑战，对策又是什么呢？

“我们认为LED驱动电子在整个LED照明商业普及化过程中担任了最重要的角色。原因有三：第一、LED驱动技术是确保和现有照明系统兼容的一个关键技术；第二、对LED照明的成本也很重要（LED驱动成本位居整个LED照明成本的第2位）；第三、是否能够增进用户的体验？” Lance指出。

创新一：数模混合架构可轻松实现业界最好的调光效果

既然LED照明普及化的关键在于LED驱动技术的创新，那么接下来就来看看Marvell在这方面都做了什么？
 
数模混合架构是Marvell在LED驱动技术上的重要创新之一，所谓混合架构就是每个芯片里面都有DSP内核，可以运行算法。除了DSP内核，芯片内部还有一个OTP，内存可编程。程序并不需要用户自己写入，而是有一个开发工具，其中所有的算法都是固化的。有了这个OTP就可以调整驱动芯片的调光曲线。另外一个关键点在于，与利用单片机运行算法不同，这不需要开发软件。

以Marvell在去年推出的单级LED驱动IC 88EM8183为例，其采用了Marvell独特的混合信号架构和先进的调光控制技术，在算法和架构上拥有几十项专利技术； 88EM8183可以通过编程OTP和改变外围电阻进行调光曲线调整。可平滑地实现低至1% LED电流的深度调光，相比之下，同类LED驱动器解决方案一般仅能实现10%至20%的调光。以这种幅度调光，人眼感觉不到光强有很大的变化，因此88EM8183显著提高了性能。它是业界调光度和性价比最好的方案，调光效率可高达90％，高功率因数（高达0.99），低总谐波失真（小于15％）。

88EM8183还与绝大部分（TRIAC）壁式调光器兼容，无论是前切、后切调光器，还是数字调光器。其调光器的兼容度可以达到90%，而竞争对手中，做得好的靠近70% 到80%，一般在60%以下。

特别值得一提的是，88EM8183还能够提供宽范围的输出功率平台，并提供客户调光和非调光、高压和低压统一平台。基于88EM8183的商用筒灯也已经推向市场。

下图3所示为关于Marvell数模混合架构应用的另一个例子。这是基于Marvell 88EM8801的双串智能LED驱动方案。应用此方案，可以实现色温的调节、高色显指数、高能效，能够提供最优的接近白炽灯的照明质量。



图3. 基于Marvell数模混合架构双通道LED驱动器实现的双串智能LED方案框图。

创新二：更小尺寸、更低BOM成本、更高效率的Buck-boost非隔离方案

前文提到，为了帮助OEM和ODM适应各种外形尺寸的LED灯，例如A19、PAR、BR、E17, GU10和Candle，而且不会有损调光性能，要求LED驱动电路板面积尽可能的小。通过采用Marvell的新型混合信号架构和信号处理技术，及尽可能多的将模拟器件集成到LED驱动芯片内部，88EM8183可实现将LED驱动电源所需组件数减少一半以上，从而极大地减小了所需的电源体积。

特别需要提到的是，除了Fly-back 拓扑结构, 88EM8183还可以支持Buck-boost拓扑结构，这是一种非隔离的驱动解决方案，驱动电路尺寸可以比Fly-back拓扑更小、BOM成本更低许多，而驱动效率则更高许多。

“我们建议客户在高电压低电流LED负载采用非隔离解决方案，这样驱动效率将达到最大化。”Lance强调，“88EM8183非隔离方案可以直接用在GU10, Candle 和EE17 等非常小尺寸标准的灯泡中，支持这些小尺寸灯泡是优于市面上其他解决方案的扩展应用。”而众所周知，GU10和Candle是目前出货量最大的最主流LED灯泡，同时也是各大OEM以及ODM厂商迟迟无法找到合适方案的最棘手的产品。

Marvell 目前提供88EM8183非隔离驱动方案的完整电路板参考设计，可支持各类输出范围应用，而且非常容易导入生产，可帮助客户达到非常低的PPM（如下图4所示）。


图4  Marvell提供基于88EM8183的非隔离驱动方案的完整电路板参考设计。

Lance指出：“我们今年刚推出的Buck-boost非隔离方案可以说是业界性能最高，成本最低的方案，驱动成本比竞争对手平均少20-40%。”

创新三：在LED驱动中加入智能网络控制

Marvell联合创始人之一戴伟立女士在CES 2013上曾表示，Marvell将在2013年进一步发挥强大整合实力，为消费者提供美满互联的生活。这里的互联是关键，而将网络控制功能加入LED驱动就能才能实现真正意义上的智能照明。

基于前文提到的全球第一款双通道智能LED驱动芯片88EM8801，Marvell在2012年就开发了一个业界唯一的智能驱动架构（Smart LED Driver），其好处具体来说是可以选择不同的配置方案。


 
图5. Marvell智能LED驱动架构及参考设计

Lance在本次媒体研讨会上畅想了几个应用：“LED灯泡本来已经节能了，加上控制后会更加节能。例如今天加班比较晚，就可以利用手机将家里的灯关掉，在到家前5分钟再开启，这不光是节能，而且非常方便。在美国还有一个性能，全家度假时怕小偷上门，就可以把灯打开，一定程度上防止小偷光顾。”

“因为现在市面上有很多不同的控制方案（Marvell都拥有）。可是客户需求会有差异，所以我们出台的该架构，通过更换接口统一的控制模块，实现不同控制方案的兼容和替换” Lance进一步指出。

基于这样的架构，Marvell设计了DALI的控制平台。如下图9所示。Marvell DALI软件支持最新版本的DALI标准。DALI端点堆栈提供配置、分组调度、场景管理，并与Marvell 88EM8801集成以提供各种照明控制功能，包括打开/关闭控制、深度数字调光、CCT控制、温度补偿、校正、照明装置监控和能耗估算。此外，这套DALI控制架构还可实现对基于Web Serve 的管理用户界面控制.


图6.Marvell智能照明平台——DALI（商业照明）。

对于室内照明平台，“ Marvell计划在今年下半年会推出基于Zigbee Light Link (ZLL)协议标准的方案，作为一种低功耗、低成本技术，它在Marvell LED照明平台等智能家庭相关产品，将会得到很好地应用。”Lance表示。



图7.Marvell智能照明平台——ZigBee（室内照明）。

Lance在演讲最后总结道：“自我们去年推出第一款深度调光的驱动芯片以来，市场反馈非常好，主流的照明公司或者已经量产，或者正在准备量产。中国市场对Marvell是非常重要的一部分，因为整个LED照明产业中有90%企业在中国。我们也会持续投入支持资源，帮助推动LED照明的普及，助力中国LED照明产业成长。”