半導(dǎo)體欲憑基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)散2012年產(chǎn)業(yè)上空陰霾:LED篇
盡管有不少陰霾,但平板電腦、智能手機(jī)、移動(dòng)通信基站、LED照明、工業(yè)控制及汽車電子領(lǐng)域,被業(yè)內(nèi)人士一致看好為2012年半導(dǎo)體市場的陽光地帶。
近期的深圳集成電路展、多場產(chǎn)業(yè)或技術(shù)研討會及北京照明展上,國內(nèi)外半導(dǎo)體廠商紛紛推出了大批創(chuàng)新基礎(chǔ)技術(shù)。在巴塞羅那世界移動(dòng)通信大會(2012MWC)上,英特爾、高通、博通、TI、Marvell、TriQuint、飛思卡爾、聯(lián)發(fā)科、Nvidia等芯片廠商也展出了眾多半導(dǎo)體技術(shù),使往年以設(shè)備制造商和終端廠商為主的“二人轉(zhuǎn)”,演化成了2012MWC上,設(shè)備、終端制造商及半導(dǎo)體廠商的“三國鼎立”。
下面分別盤點(diǎn)一下近期半導(dǎo)體業(yè)在各應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)。
LED照明篇(上)
在歐債危機(jī)控制不力、美國、日本緩慢恢復(fù)的大背景下,中國將成為全球LED市場發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力量。盡管LED背光市場增長乏力,但受中國政府的政策支持,戶外、商業(yè)和工業(yè)LED照明市場的引擎相當(dāng)強(qiáng)勁。
例如,蘇寧電器最近同意委托華訊節(jié)能及中國普天,以LED照明設(shè)備取代現(xiàn)有1000多家零售店的照明設(shè)備。其他企業(yè)也會陸續(xù)跟上。
圖1Marvell全球技術(shù)營銷高級經(jīng)理LanceZheng
Marvell全球技術(shù)營銷高級經(jīng)理LanceZheng(見圖1)在深圳的“2012產(chǎn)業(yè)和技術(shù)研討會”上也表示:“2011年中國商業(yè)照明增長約70%,2012年將延續(xù)這一趨勢和增長率?!彼€指出:“中國對LED燈泡的需求,肯定沒有歐美大。這主要因?yàn)橹袊脩魧Τ杀靖舾校?012年歐盟的白熾燈將全部淘汰;2012年10月1日,美國要求白熾燈光效達(dá)到25lm/W。目前,全球LED制造70%在中國,其中大部分在深圳,產(chǎn)品多銷往歐美?!?BR>
家庭普及LED照明最多還有兩年緩沖期
仔細(xì)閱讀中國發(fā)改委關(guān)于LED照明的政策就會發(fā)現(xiàn),從2012年和2014年的10月1日起,將分別禁止銷售和進(jìn)口100W和60W及以上普通照明白熾燈。
由于家庭中主要使用100W以下的白熾燈,且目前LED家庭照明的每居室單套成本要幾十元或上百元,一個(gè)家庭根據(jù)居室數(shù)量的多少需用多套,絕大部分家庭難以或不愿承擔(dān)。因此,有理由相信,政策的大規(guī)模效應(yīng)不會馬上顯現(xiàn),LED照明真正進(jìn)入家庭的時(shí)間未必在2012年,而很可能被推遲到2014年。就是說,還有兩年多的緩沖期供廠商進(jìn)行市場鋪墊、推廣,開發(fā)燈具和電源驅(qū)動(dòng)等相關(guān)新技術(shù)和產(chǎn)品,進(jìn)一步將高高在上的成本拉下來,并提高可靠性。
飛兆半導(dǎo)體技術(shù)營銷部經(jīng)理錢家法分析了LED照明設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵因素:
1.對于5W以上的交流電壓輸入應(yīng)用,額定輸入電壓下,PF(功率因數(shù))≥0.9;對低電壓輸入的MR16照明燈應(yīng)用,沒有規(guī)定。目前對于5W以下應(yīng)用的PFC需求開始增加;需省去輸入電解電容器。
2.功率大于25W時(shí),THD(總諧波失真)要小于25%(俄羅斯市場<10%)。對于球泡型應(yīng)用沒有嚴(yán)格的要求。
3.LED驅(qū)動(dòng)板的功率效率,在低功率應(yīng)用中,無調(diào)光板時(shí),要大于85%;有調(diào)光板時(shí)要大于80%。效率越來越高,但相關(guān)的BOM成本也增加了。
4.在調(diào)光兼容性方面,切相(Phasecut)調(diào)光器(前沿型和后沿型)是主流,要保證LED燈不閃爍。
調(diào)光技術(shù)的比較
目前的歐美日家庭照明市場上,普遍采用的是可控硅調(diào)光器(Triacdimmer)。在深圳集成電路展的LED照明技術(shù)研討會上,臺灣新綠科技演講人表示,今后LED照明在家庭普及的過程中,消費(fèi)者希望最好不改變家里現(xiàn)有的照明布線,否則需要重新施工、裝修,非常麻煩。
目前常見的調(diào)光器包括可控硅調(diào)光器(前切式)、電子調(diào)光器(后切式)和遙控調(diào)光器(紅外線或RF式)。
該演講人分析指出,電子調(diào)光器需要對居室線路重新施工,遙控調(diào)光器價(jià)格昂貴,又無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)??煽毓枵{(diào)光器由于用戶不需重新施工改變現(xiàn)有線路,所以現(xiàn)階段應(yīng)用較多。但會降低PFC,深度調(diào)光時(shí),導(dǎo)通角更短,這種缺點(diǎn)就更明顯;還會降低功效;使THD增大;有突波電流;切角很小時(shí),存在LED燈閃爍不定的問題。
新綠科技的EZDimming調(diào)光技術(shù)結(jié)合了正弦降壓線路或正弦正激線路的專利驅(qū)動(dòng)技術(shù),通過檢測現(xiàn)有的墻壁開關(guān)切換次數(shù)進(jìn)行調(diào)光,PF大于0.9,功效在80%以上,切換柔和,沒有突波電流或噪音,線路少、成本低。
沒有電解電容器的調(diào)光驅(qū)動(dòng)技術(shù)
飛兆的錢家法指出,其具備大(50W以上)、中(20W-50W)、小(20W以下)功率LED驅(qū)動(dòng)方案。在20W以下的家庭和商業(yè)LED照明方面,由于調(diào)光器兼容性問題,在普通可控硅調(diào)光器結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光很困難。為此,飛兆開發(fā)出了帶功率因數(shù)校正(PFC)、可控硅和模擬調(diào)光能力的FL7730單級原邊調(diào)節(jié)(PSR)控制器,可兼容80%以上的調(diào)光器。
FL7730通過獨(dú)特的模擬感測技術(shù),可在從0至100%光輸出的整個(gè)范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)無閃爍的可控硅調(diào)光控制。FL7730和FL7732(不可調(diào)光)采用初級端調(diào)節(jié)和單級PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),去掉了輸入電解電容器和反饋電路,減小了空間,并降低了系統(tǒng)成本。
通過內(nèi)部誤差放大器和低帶寬補(bǔ)償器,實(shí)現(xiàn)了恒定導(dǎo)通時(shí)間控制。功效在85%以上,PF在0.9以上,THD滿足EN61000標(biāo)準(zhǔn)的ClassC要求?!?%的恒流精度/控制可以不受輸入和輸出電壓的影響,調(diào)節(jié)輸出電流。
對于下一步研發(fā)趨勢,他表示,提高可靠性是重點(diǎn),今后,大功率電源驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。
有可能降低到0.5美元的LED驅(qū)動(dòng)器
Marvell的LanceZheng介紹,2月7日-9日在美國加州舉行的“2012年美國SIL照明展”上,Marvell展示了一款深度調(diào)光AC/DCLED驅(qū)動(dòng)芯片88EM8183。該芯片具有單級原邊電流控制,PFC/QRC和低谷開關(guān),片上高壓啟動(dòng)電流??蛇M(jìn)行1%的深度調(diào)光,滿足NEMASSL6調(diào)光標(biāo)準(zhǔn)。
88EM8183不需要光耦合器和次級反饋電路,也不需調(diào)光器泄流電路。效率達(dá)90%,有助于延長LED燈的壽命。PF在0.95以上,THD低于20%。據(jù)了解,目前在美國,若THD高于25%,就不能享受政府的政策補(bǔ)貼。目前,市場上的同類芯片通常含有50、60個(gè)元件,而88EM8183只有33個(gè),這降低了30-40%的成本。據(jù)稱,今后可以進(jìn)一步降低到0.5美元,屆時(shí)也標(biāo)志著家庭LED照明的真正普及。
88EM8183可兼容110多種調(diào)光器。在圖4所示的調(diào)光曲線中,通過對固化了多種算法的OTP存儲器進(jìn)行編程,藍(lán)色曲線最右上邊的點(diǎn)可以橫向移動(dòng)。另外,通過改變芯片電路里的一個(gè)外置電阻,可以把曲線往下拉,使調(diào)光曲線更趨理想,即與白熾燈的調(diào)光曲線(中間藍(lán)色線)盡量吻合。[!--empirenews.page--]
另外,智能雙通道DC/DCLED驅(qū)動(dòng)芯片88EM8801可獨(dú)立控制兩條LED燈串。集成了4個(gè)MOSFET,成本降低,效率可達(dá)到97%??砂鸭t、藍(lán)光LED混合在一起,進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提高效率,最高達(dá)97%。此外,可以實(shí)現(xiàn)0.1%的PWM調(diào)光精度。OTP存儲器程序可通過I2C接口進(jìn)行Zigbee、WiFi和PLC通信。
對于未來的智能照明平臺,鄭先生表示,每個(gè)燈具里都有驅(qū)動(dòng)芯片,所有燈具會連到Marvell處理器的網(wǎng)關(guān),芯片可以連到手機(jī)或平板電腦上進(jìn)行遙控調(diào)光。還可利用LED上的傳感器控制溫度。目前,華為在其手機(jī)中利用Android系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)界面,以控制照明。他表示:“在目前提供的交鑰匙方案中,通信器件與驅(qū)動(dòng)芯片是分開的,等到市場起量時(shí),會把他們集成?!?BR>
AC/DC轉(zhuǎn)換不見了
首爾半導(dǎo)體在3月1日的2012北京照明展上,展示了交流驅(qū)動(dòng)LEDAcrich2系列模塊。其獨(dú)有的專利技術(shù)消除了AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。4W、8W、12W和16W的Acrich2模塊方案能取代40W、60W、100W的白熾燈,及MR16鹵素?zé)艉屯矡?。Acrich2的PF為0.97,功效在90%以上,THD低于25%。燈具制造商可直接把內(nèi)置Acrich2的產(chǎn)品插入墻體。
另外,其大功率LEDZC系列以板上芯片直裝式(COB)封裝,采用了高反射鋁基板,提高了亮度并延長了LED燈泡的壽命。
攜MCU優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)智能LED照明
目前,擁有MCU技術(shù)和電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)的廠商,基本都已將兩者結(jié)合,目的就是搶占LED智能照明市場的制高點(diǎn)。
愛特梅爾亞太區(qū)營銷總監(jiān)曹介龍(見圖5)表示:“智能控制是LED燈的最大優(yōu)勢之一。8位和32位AVRMCU是我們擅長的控制技術(shù),將其與LED驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)合,再加上其他廠商的Zigbee(802.15.4協(xié)議)芯片方案,就可實(shí)現(xiàn)LED照明的遠(yuǎn)程控制(見圖6)。Zigbee光線鏈接狀態(tài)支持ZLL草案,并針對黃金單元(GoldenUnit)狀態(tài)。我們的總體戰(zhàn)略是先切入LED背光照明,之后是小功率LED照明市場,目前的核心技術(shù)已經(jīng)儲備到了中、大功率部分?!?BR>
在效率優(yōu)化方面,盡量減小因LED串Vf失配而導(dǎo)致的功耗,通過芯片反饋引腳控制電源輸出電壓,自動(dòng)啟動(dòng)校正和重新校正,針對Vf變化而調(diào)節(jié),系統(tǒng)架構(gòu)不會影響調(diào)光范圍與對比度。在老化和色彩-溫度調(diào)節(jié)方面,有內(nèi)部EEPROM,可自動(dòng)測試,調(diào)節(jié)各個(gè)LED串以匹配色彩。并能進(jìn)行軟硬件調(diào)光。
另一MCU巨頭富士通半導(dǎo)體也展示了將8位MCU控制芯片8FX與LED照明驅(qū)動(dòng)結(jié)合的小功率、低成本LED太陽能花園燈技術(shù)和LED三色調(diào)光方案。
英飛凌也采用了MCU控制多通道LED燈或模塊,該MCU可進(jìn)行調(diào)光、燈溫控制,并與照明網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)日光調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)控制開關(guān)、統(tǒng)一遠(yuǎn)程控制、HMI接口、維護(hù)監(jiān)控、燈驗(yàn)證等功能。
另外,飛思卡爾采用SiP工藝的ZigBee兼容平臺MC13213,集成了8位MCUMC9S08GT和Zigbee(IEEE802.15.4)的MC1320x2.4GHz射頻接收器,可支持6萬多個(gè)射頻網(wǎng)絡(luò)終端,實(shí)現(xiàn)LED照明的智能遠(yuǎn)程控制。
羅姆半導(dǎo)體的30W功率LED照明驅(qū)動(dòng)芯片(可調(diào)光)T4/T5/T8/T10,可使PF改善到0.99,符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn);厚度比此前產(chǎn)品減少了30%,適于直管型、無接縫型、遮蓬燈。
羅姆(深圳)設(shè)計(jì)中心工程師胡琳龍表示,其LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)對于9-12W的功率,PF可達(dá)0.9以上;7-12W的功率,PF可達(dá)0.85以上;5-7W的功率,PF也在0.7以上。
筆者還發(fā)現(xiàn)了羅姆一款號稱世界最小可控硅調(diào)光的AC/DCLED驅(qū)動(dòng)器,在5W輸出、100Vac時(shí),效率為65%;200Vac時(shí),效率為58%。已通過傳導(dǎo)干擾測試(CISPR15)和輻射干擾測試(IEC61000-3),兼容絕大部分可控硅調(diào)光器。
另外,LED照明驅(qū)動(dòng)芯片BD555ALFV可實(shí)現(xiàn)可控硅/PWM/線性調(diào)光,調(diào)光比為1%-100%;內(nèi)置的傾斜功能可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的照度變化(見圖8)。適于燈泡型、射燈和普通LED照明。
硅集成氮化鎵技術(shù)降低高亮度LED照明成本80%
英國普萊思(Plessey)的高亮度LED照明技術(shù)非常前衛(wèi),目前看,似乎顯得有些鶴立雞群。該技術(shù)能在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)硅襯底上集成超薄的高亮度LED結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)在普遍只能在SiC或藍(lán)寶石基板上完成,且價(jià)格昂貴。硅集成氮化鎵工藝的重大意義在于,解決了在大尺寸硅襯底上集成高亮度LED時(shí),氮化鎵和硅晶體在晶格中的高度失配現(xiàn)象。硅集成氮化鎵方案可將現(xiàn)有成本降低80%。該公司表示,將于2012年晚些時(shí)候發(fā)布輸出150lm/W以上的產(chǎn)品。
不少LED照明廠商對此評論說,硅集成氮化鎵技術(shù)確實(shí)非常棒,但更適于大功率LED照明,家庭應(yīng)用不是它的“菜”。