解决LED背光设计挑战的三大法宝

在世界各国对环保议题日渐重视的趋势下，LED照明产业将扮演极其重要的角色，LED主要应用在室内、室外照明以及街灯等高功率产品。据悉，2009年全球照明市场约1,219亿美金，LED仅占0.5%，可见其未来潜力非常可观。其中，以亚太地区的市场规模为最大，约占全球33.7%，其次为北美的30.1%和欧洲之27.4%。从应用产品的类别来看，户外照明约占12%，具有相当大的成长空间，尤其以占有全球38%户外照明的中国市场为最。此外，值得关注的是，受政府政策及推广影响，较为直接且快速的街灯应用可望成为照明产业中快速成长的第一棒。预计2010年全球可达到450万盏LED街灯的水平，并且一旦路灯标准规格普及，中国市场可望占有世界50%以上的规模。 　　LED背光应用于电视也成为备受关注的焦点之一，预计其渗透率在2010年将有机会攀升至10%～15%。过去出于演色性及对比性的考虑，直接式(Direct Type)背光一直是LED TV的主要发展方向，但在成本及薄型化设计的优势驱动下，边缘式(Edge Type)背光逐渐成为主流，占所有LED TV机种的至少93%，并集中在40英寸以上电视尺寸。将LED背光大规模应用于液晶电视的主要挑战是它与CCFL背光的差价，边缘式背光的发展确实已大幅拉近二者的距离，但挑战依然存在;2009年第三季度40英寸及 46英寸LED背光液晶电视面板与同尺寸CCFL的差价约为35%，预计到2010年第一季度可缩小至30%左右的差距。此外，LED TV的发展同时受LED产能开发以及价格的限制，未来若LED芯片的供给持续舒缓，使销售价位更接近消费者可接受的范围时，LED TV将有机会像LED NB的发展模式一样快速成长。 　　从技术上来看，除了LED本身发光效率的提高，模块的散热管理也是目前遇到的难点之一。良好的散热处理无论对于LED的寿命或演色性都能提供较佳的状态;此外，基于节能减碳的目的，是否能有效利用公用电厂所提供的电力，提升功率因素的转换也是重点方向之一。最后也是最重要的部分即是产品可靠性，需在物料选件及电路设计上多加考量。 　　采用LED做背光主要面临的挑战有：电流匹配在多颗LED串中的应用、功耗、保护电路、调光时的噪声(Audible noise during dimming)等。面对这些技术挑战，凹凸科技的工程师们经过不断努力，提出了有效且巧妙的解决方法。 　　首先，利用电流平衡在多LED串中应用，这包括串联和并联LED串。凹凸科技所允许的LED正向电压范围(Tolerance in forward voltage of LEDs)为3.1V～3.5V，且其一致性和效率均高于CCFL。其次，跟踪照明(Direct light)即根据影像数据调整LED的亮度，这种技术应用在大尺寸LCD背光中，从而使得用LED做背光会比CCFL更薄。 　　在LED驱动的保护设计部分，凹凸科技的设计包括过压保护、LED短路保护、升压二极管(Boost Diode)保护、电感保护和过温保护;另外，驱动电源质量不稳定一直是LED照明的短板，凹凸科技的驱动技术可直接利用110V/220V交流电源为LED光源供电，而无需通过AC/DC和降压的两次转换来完成。E27标准螺口的灯具空间十分有限，安置两次转换的控制模块也比较困难，而且AC/DC转换时约15%～30%的电力会被损耗，系统效率很难达到90%以上。凹凸科技的驱动技术则在体积、效率和成本上具备明显的优势。另一方面，效能的提高有助于减少LED灯的温度，也延长了LED灯的寿命。 　　在调光模式上，考虑到成本(无需改线或增加调光开关)，凹凸科技提供了一种非TRICA的三段式调光，通过开关来依次实现，而各亮度等级则可通过内部编程的方法自由设定。采用PWM方式来对LED调光，其频率往往在人耳听觉范围内，从而产生噪声问题，而如果频率过高(>20KHz)，线性度又受到影响，调光范围也会受到制约。凹凸科技采用独特的相位调光技术来降低调光过程中电荷泵对寄生电容的冲击，从而减少了电路板震动产生的噪声，同时，该技术也很好地解决了“雪花屏”的问题。据悉，苹果公司已在最新的笔记本电脑中采用了凹凸的芯片来解决“雪花屏”问题。 　　目前市场上使用的街灯组都遇到使用寿命仅有半年至一年的问题，而造成该情况原因有两点：电池寿命过短以及LED灯组过热。为克服上述瓶颈，O2Micro开发出全球首款Cool Driver Circuit(OZ9986A)的方案，针对40W～200W的街灯应用(即现今市场上的应用主流)，提供LED灯组极佳演色系及色彩均匀度、并通过其优越的效能达到节能省碳的效果。 　　面对市场上多种街灯组的需求，O2Micro针对无需功率因素校正的灯组，提供Panthar(AC/DC Converter)+ OZ9986A(LED电流平衡转换器)的组合。需要功率因素校正的灯组则提供Cooper2(AC/DC Converter) + OZ9986A(LED 电流平衡转换器)的解决方案，简单介绍如下： 　　AC/DC转换器Cooper2 　　Cooper2为一高度集成的解决方案，拥有如下特性，提供设计者最简单的使用方式：支零电压切换Flyback结构;支持功因校正功能(Boundary Mode PFC);支持高达250W之电源供应应用;各项保护功能：PFC与Flyback Controller过电压保护、Cycle by Cycle 过电流保护、Flyback Controller过功率保护。 　　LED电流平衡转换器OZ9986A 　　OZ9986A方案在设计上以开关方式作电流平衡以在高功率LED照明应用上达到高效能。传统上以线性方式作电流平衡的方案至多仅能达到70%效率，剩余30%效能损失则以热的方式呈现，并对街灯模块寿命造成损伤;但是，OZ9986A这种以开关方式作电流平衡的方案，至少能呈现90 %效率，比起线性方式的方案其效能损失将减少一半以上。此外，OZ9986A还提供了各串LED间极佳的电流平衡，使LED能有更长使用寿命。

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