便携应用需求稳增 LED驱动IC进一步提高高性能

发布于：2007/2/2 8:59:56 | 1020 次阅读

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“采用LED作为各种消费类便携式设备的背光，其前景不可估量。”龙鼎微电子公司总经理兼首席科学家茅于海如是说。同样，安森美半导体公司数字消费电子部产品市场经理K.H.Ho也肯定地指出：“LED驱动器IC市场规模在2007年将有显著增长。”让我们来分析一下，LED作为背光源，已经得到越来越广泛的应用，在手机中早就已经完全普及。而手机的市场已经达到每年9亿台，其中中国生产了3亿台，中国国内市场需求也有8千多万台，其中智能手机占5.4%(458万台)。尽管不可忽视的是这个市场也正在被新兴的OLED所蚕食，由于OLED本身发光不需要背光系统，因此功耗要比用LED背光的LCD屏要小，但根据iSuppli的统计数据，虽然OLED早就用在手机的副屏中，可用在手机的主屏中还不到1%，其余99%仍然是液晶屏的天下，要到2010年OLED主屏才会增长到9%。所以LED背光的市场地位，目前还没有受到挑战。
这种情况也适用于屏幕尺寸在2英寸~5英寸的产品，包括数码相机、PMP、PDA、GPS(07年大约有100万部以上)等便携式应用中。数码相机的市场规模很大，2006年销量预计为7,120万台，中国销量预计为635万台。不过，中国市场78%以上都是日本品牌，而日本品牌的芯片大多数由日商供应；韩美品牌占16.6%，中国品牌只占5.3%。PMP仍然是叫好不叫座，根据赛迪数据，2006年中国销量预计为69.7万台，PDA的销量大约为1,500万台，只有智能手机的四份之一，其市场规模还在不断萎缩。中国的GPS正在起步，到2005年底中国配备GPS导航设备的汽车不足10万辆，虽然增速较快，但数量还是很小。
在5"以上屏幕中，情况就比较复杂，尤其在7英寸以上的便携式DVD，原来都还是采用CCFL作为背光，而现在也正在逐步地被LED所蚕食。特别是在欧盟实施RoHS的法令以后，含汞的CCFL会被禁止，否则要付10美元的有害物质处理费，这将加快采用LED背光的步伐。在笔记本电脑等更大型的液晶屏中，采用LED背光也会成为一种趋势，因为它不但可以使屏幕的厚度减半(从9mm降到4.5mm)，重量减轻26%，而且还可以节省50%的耗电，其的不足是成本比CCFL高2.38美元，但预计用户是可以接受的。据估计，2007年将有8%的笔记本电脑采用LED作为背光，而2007年笔记本电脑的预计产量为8,500万台，采用LED作为背光的笔记本电脑将达到680万台，这一数据还有望突破。
两种架构产品仍是市场主流
LED市场规模持续扩大的同时，技术的进步也在同步上演。随着多媒体手机和智能手机的快速增长，以及用户们更广泛地接受互联网浏览、移动电视、视频播放、GPS(定位系统)和电子邮件服务，这些应用对于更加清晰和尺寸更大的显示屏的需求日益迫切。这种趋势要求LCD背光采用更复杂耐用的LED驱动器IC。通常，手机中白光LED驱动电路经常使用两种架构：LED以串联方式连接的电感升压转换电路；每颗LED都通过稳定的电流源驱动的电荷泵驱动器。电感解决方案可以带来的整体效率，而电荷泵方式由于使用小型陶瓷电容作为能量转换器件，所以体积最小。
为此，有些LED驱动IC供应商针对这两种架构都有相应的产品。例如，安森美半导体的NCP5010是一种电感升压转换器，并集成肖特基二极管，节省更多板空间。由于采用的是倒装芯片封装，占用的板面积不到3mm2(封装尺寸为1.7×1.7mm)，高度只有0.6mm。它提供22V电压，为LCD背光应用的2至5个串联白光LED供电，能效高达84%。它具备true cut-off、短路和过压保护功能，并提供欠压切断。
NCP5602/5612/5623则是安森美半导体的电荷泵型驱动器产品，具有多模式电压转换，允许更佳的电源转换，效率达90%，以锂离子电池为主的工作区间上平均效率达85%。它的封装尺寸为2×2mm，厚度只有0.6mm。
龙鼎微电子的PAM2840是针对种架构的IC，采取的封装为SOP-8。针对第二种架构的产品PAM2701也是一种专门用于手机LCD屏或是PMP LCD屏的电荷泵升压器件，只需要外加四个普通的廉价陶瓷电容就可以工作。它最多可以驱动4颗正向电流高达30mA的LED，并保证各路的电流相差不到3%，所需点亮的LED由三根控制线来选择。它可以工作于锂电池电压高于LED的正向电压，也可以工作于锂电池电压低于LED的正向电压，并能自动转换其模式，效率高达91%。其封装则采用3×3mm和4×4mm的QFN。
还有一些供应商目前只推出了串联白光驱动IC或电荷泵型IC。例如，启攀微电子(上海)有限公司的CP2129是一款具有开路保护功能的串联白光驱动芯片，可驱动2~6颗串联LED，是一种基于电流反馈的PWM模式高效率升压转换器。同样的，北京思旺电子技术有限公司也推出效率达到85%的白光LED驱动SE3506，可以用一节锂电池驱动2~6个串联的LED。SE3506电源电流仅100mA，比同类LED驱动小10~20倍，因此为用电池供电且强调低功耗的便携式应用提供了能量节约。此外，它还内置有过热保护(OTP)和过电流保护(OCP)。
模拟及混合信号器件和非易失性内存供应商Catalyst半导体推出的CAT3636是采用自适应分数电荷泵方案的新一代LED驱动器。据悉，该芯片采用Catalyst的创新Quad-Mode转换架构设计，最多能驱动6颗白色/彩色LED。根据输出电压和输入电压比率为1.33×的升压模式，减小了在电池端的输入开关电流，可使系统的输入噪声达到最小。在不增加成本、元件数和电路板空间的条件下，CAT3636给予系统设计师接近电感式升压转换器的高达92%的效率(在锂电池的有效工作电压范围内的平均效率是84%)，同时还保持了电荷泵的简便性。
另外，手机照相也是推动手机技术发展的应用之一。目前，手机正采用分辨率更高的相机，也在推动市场对于低光环境上闪光功能的需求。要将传统的氙气闪光灯放置到尺寸相当紧凑的手机内对设计工程师来说极具挑战性，因为除了粗大的闪光用高压电容外，还必须加上灯泡以及相关的变压器与电子线路，而传统的闪光灯也不适用于视频拍摄的用途。因此，高功率LED更适合于多媒体手机中的闪光功能。
为此，安森美开发了NCP5608多模电荷泵LED驱动器。它不仅能以高达400mA大电流的能力驱动1W大功率LED，还拥有同时驱动用于主屏和附屏背光的4只LED的能力。这两种功能共享一个高效的电荷泵转换级，从而将外接电容数量减至最小。其封装尺寸是4×4mm，厚度只有0.8mm。国内供应商龙鼎微电子也不甘落后，推出了PAM2800。该芯片可以在采用四个充电电池、或3个普通干电池、或碱电池、或是锂电池时，以350mA驱动1W的LED，在电池的大部分寿命期间能够保持LED的电流恒定，工作效率达80%~95%，封装为SOT23。
更高驱动能力和集成式是未来发展趋势
更高功率的LED可以得到更高的亮度，拓展更多的新兴应用，例如手机中的趣味照明、手电筒等。因此，驱动更高功率LED成为LED驱动IC下一步的发展趋势。龙鼎微电子已开发升压型PAM2801，可以在一节1号电池，或两节1号电池，或采用太阳能电池时，点亮一个1W或3W的LED，其反馈电压只有95mV，而输出电流可以达到1A，效率可达90%，封装为SOT23。
此外，一些便携式应用产品为了追求用户对于视觉的享受，屏幕的尺寸不断增大，LED驱动IC所需驱动的LED个数也越来越多。通常的做法是把很多LED串联起来，以确保流过所有LED的电流一样大，从而确保亮度一样亮。串联的LED数目越多，所需的驱动电压也就越高。这样，就不能采用普通的CMOS工艺，而必须采用高压BCD工艺，这就需要晶圆厂家的配合。目前，龙鼎微电子正致力于多串多个LED驱动芯片的开发和应用。主要采用高压BCD工艺。所能驱动的LED总数将达到几十个、几百个直到上千个。在每一串中的电流自然是平衡的，而各串之间也可以达到很高的匹配，这是靠每一串都有电流反馈控制而实现的。
茅于海指出：“所需的驱动总功率取决于LED的总数。当总功率不是太高时，不但希望把MOSFET等集成进去，而且还希望把升压用的肖特基二极管也能集成进去。”这意味着，LED驱动芯片将集成更多的内容已成为该产品的重要发展趋势。安森美的K.H. Ho也同意这一观点：“LED驱动器IC的发展趋势是在一个单一的封装中集成更多的功能。可能是集成几个LDO为相机模块中的CMOS图像传感和视频处理器供电，以及集成LED同步电路以实现趣味照明。”
但是，茅于海还表示：“驱动几十个LED时，仍然可以把MOSFET集成进去，再多就要放到外面。”当总功率增大时，即使有90%的效率，其耗散功率也随着增大，当耗散功率大于芯片所能耗散的功率时，这时MOSFET就不能再集成进去。这个临界点取决于芯片的封装技术，以及PCB板所能耗散的功率。
台湾供应商立锜科技已推出这类产品，将中高端手机所需的白光LED驱动IC与LDO整合在一个封装体中，尺寸最小可达2×2mm，采用CMOS工艺，晶园合作伙伴是台积电。该公司还将继续推出集成度更高的这类IC产品。
研诺(AnalogicTec)也推出了AAT2842，将一个强电流电荷泵、背光/键盘驱动器、一个高输出闪光驱动器和两个通用的LDO结合在单个4×4mm的TQFN44封装内，并保持背光/键盘和闪光的独立控制功能。不仅减少元器件的使用数量、降低系统BOM成本，并在不影响设计的灵活性和电路性能的同时，构建更加紧凑的系统。
值得一提的是，一些以单片锂电池供电的移动和个人电子产品——诸如智能手机、数码相机及可拍照手机，在以前一直使用的是分立的芯片以实现背光和闪光功能。AAT2842带有一个强电流三重模式的电荷泵，可以实现两个独立S2Cwire(Simple Serial Control)串行数字接口为显示背光或键盘应用独立驱动多达4个LED，并同时驱动4个LED用于强电流闪光应用。

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