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LED驱动电源市场发展趋势分析
鼎芯商城|www.ic365.cn / 2013-10-17

原文转载:http://lighting.ofweek.com/2013-10/ART-34002-8420-28734994.html

LED照明的业内人士都清楚,LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器,它在整个照明产品的设计中看似不起眼,但却又无比关键。

  黄金时代即将来临?专家看好未来LED驱动电源市场发展

  据国内外专家预测,未来3-5年将会是LED照明行业快速成长的“黄金时期”,受此影响,作为LED照明关键组件的LED驱动电源产业,将会迎来发展的好时光。市场分析师普遍预计在今明两年我国LED驱动电源的市场规模将扩大数十亿,且在技术上将迎来一定程度的突破,特别是在大功率LED驱动电源领域,因为受到LED路灯的强劲需求驱动,很可能呈现出不错增长势态。

  LED照明的业内人士都清楚,LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器,它在整个照明产品的设计中看似不起眼,但却又无比关键。统计表明,2012年国内LED驱动电源市场规模为101亿元,同比往年增长37%。而受到LED照明市场巨大前景的利好刺激,越来越多的企业已经开始进入LED驱动电源领域,未来市场规模有望进一步扩大。事实上,LED电源行业经历企业间的相互竞争和洗牌后,也正需要这么一个趋于稳定增长的环境来进行一些内部提升和资源优化。

  当然,从整体来看,LED电源行业在“马太效应”的影响下,依然将会在优化资源、提升技术的同时持续的进行市场洗牌。有行业评论家认为这是因为大功率LED大企业有品牌优势和规模化优势,导致中小企业无法与之抗衡。但这只是表面现象,因为大企业是无法完全占领整个市场的,细分市场恰恰就是中小企业成长的机会。

  LED作为新一代光源,其在光源上的可塑性天生就为众多LED厂商提供了差异化的发展思路。那么这种差异化的思路是否可以也应用于LED电源启动领域呢?答案是肯定的。我们稍微观察一下市场就能发现,渠道分销商和原厂企业已经对这种市场智能化、细分化的趋势作出了积极的反馈和响应,例如最近著名的电子分销商大联大集团就通过旗下的网络平台——大联大云端向广大中小形LED企业提供了不少创新型的照明解决方案和电源驱动IC产品,其中包括像智能灯控、无线多彩灯光管理、电源IC大厂Richtek的RT73xx、RT84xx系列产品等等。除此之外,依托于大联大集团雄厚的背景实力,大联大云端还可以帮助中小企业解决中小批量LED电子元器件供应的难题,让中小LED企业能够把精力集中在细分市场开发和渠道建设上。

  LED驱动电源经过多年的快速发展,国内企业的发展瓶颈包括产品规格、品牌、价格、渠道建设、营销模式等。随着行业的市场快速扩大,企业间的价格肉搏最后只能是两败俱伤,这几乎已经是所有LED企业的共识,那么,为了更好地在这个愈加残酷的市场上更好地生存下去,找到蓝海,正是所有LED电源企业的当务之急。

       今年中国LED驱动电源数量将超过700万台

  LED照明凭借着其节能、环保的优势已经成为全球化的趋势,市场增长极为迅速,与此同时,作为LED不可或缺的驱动电源市场潜力也是相当可观的,市场预计2013年我国LED驱动电源数量达到700万台以上。

  我国LED产业起步于20世纪70年代,经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。

  长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。在LED产品中,LED照明凭借着其节能、环保的优势已经成为全球化的趋势。近年,在各国政策的支持下,整个LED照明行业的市值呈现出爆发式的增长,作为LED照明关键组件的LED驱动电源产业,自然也迎来了发展。

  LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。

  目前在LED照明市场的强劲驱动下,也带动LED驱动市场成长,LED驱动规模逐渐攀升,据市场研究机构预测,LED驱动IC市场营收规模将由2010年的近20亿美元,在2015年达到近35亿美元,期间平均复合年成长率为12%。该机构并指出,LED照明所需的LED驱动IC,会是该市场的成长主力,照明、汽车头灯等LED的新兴应用市场大量涌现,掀起了LED的又一波应用狂潮。

  不过LED驱动电源的使用现状StrategiesUnlimited也指出,LED驱动市场规模扩大的同时,可能伴随产品价格的下滑;此外,AC-LED产品虽使得所需驱动IC数量缩小、甚至不需要驱动IC,但并不会对预测期间的该市场营收产生显著冲击,甚至有助于加速LED照明产品市场渗透率成长。StrategiesUnlimited估计照明用LED驱动IC市场成长率,在2010~2015年间可达40%;该领域技术所面临挑战包括可调光技术、省电效能、功率因子与价格。

  统计表明,2012年LED室内普通照明驱动电源市场规模为45.8亿元,同比增长87%,超过LED景观照明电源市场规模,位居各大领域之首。2012年LED室内普通照明在商业以及办公领域得到较大的应用,全年国内LED室内普通照明产值为335亿元,同比增长80%。LED室内照明正处于起步阶段,未来市场规模巨大。

  事实上,LED驱动电源经过多年的快速发展,企业发展亟待突破瓶颈:包括产品规格、品牌、价格、渠道建设、营销模式等。随着行业的市场扩大,企业间的不断竞争,LED电源行业经历洗牌后,也将会迎来一个趋于稳定的局面。

  未来3-5年中LED照明将是飞快成长的阶段,LED照明驱动电源也将在此阶段爆出庞大需求量,相关部门预计2013年我国LED驱动电源数量达到700万台以上,市场规模将扩大到17.5亿。

  如今在LED电源发展中,LED电源的模块化和智能化也引起了很多人的热议。事实上,模块化是指用标准化、工业化进行封装,通过技术、工艺等的创新来降低成本,实现规模化制造。而智能化一般是指可以调节灯具的明亮度和控制关开灯。

  对于模块化和智能化的问题,却是各家持有各家的看法。主要针对商业照明电源领域业内人士表示,LED电源模块化以后成本会更低,智能化能够满足人们的生活需求,比如调光、调温等。涉及室内和室外照明的创维照明的陈总工则说,模块化和智能化是通用照明的一个趋势,未来的这种发展对整个LED照明灯有利好的方面。就像手机充电器一样,如果能够通用一种,就非常好更改好控制了。而智能化以后,更能发挥LED的优势。

       LED驱动电源的使用现状

  标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑,美国一些州和其它一些国家已经禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡,其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%,但却含有有毒物质汞。相比之下,LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。

  LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代,但因其光输出极低,应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今,能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升,价格也在逐年下降,因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。

  通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进,高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升,除了传统的背光和显示面板市场外,高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。

  LED驱动电源面临的问题:在LED大放异彩的同时,LED驱动电源器则是LED产业链的发展的保障,LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源的成熟也至关重要。由于LED是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻,LED不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数,因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

  但是在市场一片繁荣的背景下,LED产品质量良莠不齐,对驱动电源的要求混乱,市场上LED产品如火如荼的发展态势下,就LED驱动电源企业而言,目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED节能效果的发挥。第三,以大调光比高效率地对LED调光,同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

  争夺应用“潜力股”LED驱动IC架构掀革新

  在环保呼声高涨的今天,节能照明技术已经越来越受到大众的重视,欧、美许多国家甚至立法以规范照明管理。LED照明技术以其低功耗、长寿命的优势当之无愧的成为了节能照明技术的“排头兵”。

  除了演出照明、景观照明、住宅照明、防火照明等传统照明市场之外,汽车前灯照明市场也是LED照明技术发展的大好空间。TonyArmstrong甚至认为:增长最快的LED驱动器集成电路市场是汽车前灯照明,从现在到2011年,年复合增长率将超过150%。一个流行的应用领域是很多汽车和卡车的仪表板背光照明、内部照明和刹车灯。豪华型汽车制造商正在越来越多地采用最新的固态LED照明技术,用这些更轻、更小和更耐用的器件提供内部和外部照明,以提高未来车型的美感。

  于是针对各种照明应用,如何提高LED发光效率成为LED驱动厂商们目前最为关注的话题。为了尽快推动LED照明市场的快速增长,各个厂商也相继推出了一系列优秀的LED驱动产品。由于发光二极体(LED)驱动积体电路(IC)架构掀革新。LED驱动IC商已开始部署高功率LED驱动IC方案,将金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)独立于LED驱动IC封装外,以因应商业照明市场日益高涨的高瓦数照明需求。

  LED驱动IC顾名思义,即是应用于在LED上的驱动芯片,主要是用来控制通过LED的电流,以达到使LED发光的效果,受惠于LED的应用面不断扩大,LED驱动IC的发展也不断进步,产业规模持续扩大,成长性值得期待。

       LED发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果。由于发光亮度由电流大小决定,通过LED的电流越强,亮度就越亮,因此,电流的稳定度将影响LED发光的质量,一般在控制LED电流的方法会采用供应固定电压的方式,并以电阻的方式调整通过LED的电流强度,这是成本最低的解决方案,这样做的缺点是,电阻不但增加功耗,无法达到节电的效果,也会增加热能,降低LED寿命,同时,当电源供应来源的电压产生变化时,无法及时调整通过LED的电流量,因而可能产生LED发光不稳定的现象。

  由于控制LED电流的要求提升,LED驱动IC的需求亦应运而生,预估在LED背光源应用大幅成长以及LED大型广告牌分辨率持续提高下,采用可提供精确电流的LED驱动IC将成为市场的主流。

  意法半导体技术行销经理吴玉君表示,今年下半年意法半导体LED驱动IC架构将会有新的转变,并带给客户更多的产品组合选择。

  意法半导体(ST)技术行销经理吴玉君表示,今年LED照明市场最主要的转变在于客户对于高功率LED照明灯泡类型如抛物面镀铝反射灯的需求上涨,此种聚光灯型经过电路串联后,往往需要30~40瓦的功率才能启动。

  吴玉君指出,由于之前居家照明用的球泡灯仅需12瓦左右功率即可运作,因此,MOSFET大多由于空间限制,便与LED驱动IC封装在一起。不过,这样的封装形式不仅限制驱动IC应用的LED灯瓦数,更重要的是若MOSFET导通电阻值(RDS(ON))低,则将以高电流运作,以提高效率,但其若同时与驱动IC放在一起,反而会让灯泡整体功耗变高。

  英飞凌(Infineon)电源管理及多元电子事业处资深经理张文贵亦有相似看法,他指出,烛光灯、球泡灯等封装形式较小的LED灯可采整合式方案,至于户外LED照明应用,则因其常有雷击透过电力线传导到接地线,进而对LED路灯照明品质产生干扰的情形,为提高驱动IC可靠度,1,000伏特(V)以上的高压MOSFET将成为重要关键。

  张文贵进一步指出,在这样的应用中,若将MOSFET独立于驱动IC外将是较好的安排,原因在于MOSFET与驱动IC于制程上有高低压之分,若将两者放在一起,结果将是MOSFET与驱动IC的功能将无法在电路设计过程中确实优化,厂商还须要加上更多元件补强功能,如此一来,整体电路板成本反而未必能因整合而降低。

  吴玉君指出,意法半导体针对LED市场最新趋势,将于今年第四季推出新的脉宽调变(PWM)LED驱动IC,并额外搭配800伏特MOSFET,这样的驱动IC架构将有助于意法半导体抢攻高功率LED照明应用市场,并带给客户更多的设计弹性。

  LED驱动技术发展趋势

  从目前市场了解来看,LED日光灯管式结构应用会较好发展。从家居照明来看,合适的照明强度还是需要10W以上节能灯具产品。荧光灯大多在7~15W功率,节能型日光灯在20~40W功率。如果用LED集中设计10W以上的功率,散热会令我们很头痛,也是影响成本的重要因数,显然像灯泡结构式的产品很不适合LED应用。像射灯这样产品不大可能规模量产民用。日光灯管式结构符合LED散热要求,也符合现有灯具接口方式。

  厂商从成本考量,大多设计功率在20W以内的LED灯管,从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求,待LM值达到150LM/W时,才是LED照明大呼节能辉煌时代!未来的方式是,先恒压,再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要,按LED有不同的Vf值3~3.6V之间,那按LED实际数量乘于3V计算出最低值,再按3.6V电压乘于数量计算出最大可能电压值,最终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流,可以多路恒流源并联使用,也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差,调整合适负载需求电压,从而达到高效、灵活的驱动线路需求。

      具体表现为以下四点:

  1、针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路,利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值,使得LED能获得稳定的电流,并产生最高的输出光通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。

  2、LED驱动电路具有智能控制功能,使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。

  3、在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。

  4、在目前LED光效和光通量有限的情况下,充分发挥LED色彩多样性的特点,开发变色LED灯饰的控制电路。

  最后谈谈电源驱动LED的基本原理与具体方法

  原始电源有各种形式,但无论哪种电源,一般都不能直接给LED供电。因此,要用LED做照明光源首先就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件,LED驱动器应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸,以及简便易用等特性。设计给LED供电的电源变换器时必须要注意以下事项。

  ①由于LED是单向导电器件,所以要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。

  ②由于LED是一个具有PN结结构的半导体器件,具有势垒电动势,这就形成了导通门限电压,所以加在LED上的电压值必须超过这个门限电压,LED才会充分导通。大功率LED的门限电压一般在2.5V以上,正常工作时LED的压降为3~4V。

  ③LED的电流、电压特性是非线性的。因为流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电动势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻、LED体电阻之和),所以流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。

  ④由于LED的PN结具有负的温度系数,则温度升高时LED的势垒电动势会降低。因此LED不能直接用电压源供电,且必须采取限流措施,否则随着LED工作时温度的升高,电流会越来越大以致损坏LED。

  ⑤流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加,但却不成正比,越到后来光通量增加得越少。因此,应使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。

  另外,LED也和其他光源一样,其所能承受的电功率是有限的。如果加在LED上的电功率超过一定数值,LED可能损坏。由于生产工艺和材料特性方面的差异,同样型号LED的势垒电动势及LED的内阻也不完全一样,这就导致LED工作时的压降不一致,再加上LED势垒电动势具有负的温度系数,因此LED不能直接并联使用。

       用原始电源给LED供电有4种情况:低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动、市电驱动。不同的情况在电源变换器技术的实现上有不同的方案。下面简要地介绍上述几种电源驱动LED的方法。

  1.低电压驱动LED

  低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED,如用一节普通干电池或镍铬/镍氢电池驱动LED,其正常供电电压在0。8~1。65V之间。用低电压驱动LED时需要把电压升高到足以使LED导通的电压值♂对于LED这样的低功耗照明器件,低电压驱动法是一种常见的使用情况,如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制,低电压驱动电源一般不需要很大功率,但要求有最低的成本和比较高的变换效率,考虑到有时有可能需配合一节5号电池工作,故还要其有最小的体积。最佳技术方案是选用电容式升压变换器。

  2.过渡电压驱动LED

  过渡电压驱动是指给LED供电的电源的电压值在LED压降附近变动,这个电压有时可能略高于LED的压降,有时可能略低于LED的压降。如由一节锂电池或两节串联的铅酸电池构成的电源,电池充满电时其电压在4V以上,电池放电快结束时电压在3V以下,典型应用为LED矿灯。

  过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题,还要解决降压问题,为了配合一节锂电池工作,也需要有尽可能小的体积和尽量低的成本。一般情况下其功率也不大,最高性价比的电路结构是电感式升、降压变换器。

  3.高电压驱动LED

  高电压驱动是指给LED供电的电源的电压值始终高于LED的压降,常见的电源有6V、12V、24V蓄电池。该方法的典型应用如太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题,由于高电压驱动时一般是由普通蓄电池供电的,会用到比较大的功率,如机动车照明和信号灯光,因此应该有尽量低的成本。变换器的最佳电路结构是电感式降压变换器。

  4.市电驱动LED

  采用市电驱动LED是最有实用价值的驱动方式,也是推广LED在照明领域的应用必须要解决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题,还要有比较高的变换效率,有较小的体积和较低的成本,还应该解决安全隔离问题。考虑到它对电网的影响,还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中、小功率的LED而言,其最佳电路结构是隔离式单端反激变换器:对于大功率的应用场合,应该使用桥式变换电路。
 

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