簡介
高亮度(HB)LED(發光二極體)正迅速取代汽車、企業、家庭及許多消費性電子應用之白熾燈泡，這亦是為何高亮度LED之市場分析統計數字方面存在如此大的差異。即使各方預測有異，但一項清晰可辨的趨勢是：高亮度(HB) LED市場正以驚人的速度蓬勃發展。根據法國Yole Development公司指出，LED市場將在2012年達到103億美元的規模，而高亮度與超高亮度的LED約占其中的44.5億美元，這幾乎是2007年市場規模7億8千3百萬美元的5.5倍(以封裝的 LED為基準)。
支撐這股令人印象深刻的成長潛能為何？首先，LED的發光效能是白熾燈泡的10倍，亦幾乎是日光燈的兩倍，因此其可大幅減少耗電量，但卻能產生相同的亮度(測量單位：流明)，並同時降低熱度。隨著LED持續發展，利用電能產生流明的效能也會持續增加。再者，因應全球環保意識抬頭，LED無須處理、使用和丟棄在日光燈泡內所含的有毒汞蒸汽。第三，白熾燈泡使用每1千個小時後即須更換，而日光燈泡的壽命也僅有1萬個小時，但LED卻擁有超過10萬個小時的使用壽命。在各種應用層面上，LED幾乎能永久安裝在設備上而無須更換，例如汽車的車身鈑件或HDTV的LCD顯示器，這是因汽車或HDTV使用壽命結束前都不必再更換LED。此外，比起同類產品，LED在體積上更小、更扁平，可大幅縮小外型尺寸，因此不管是車身內外或輕薄型消費性電子產品皆可使用。若配置紅、綠和藍色的LED，就能產生無限多種色彩，且LED具有肉眼幾乎察覺不到的點亮和開啟／關閉速度，如此一來可大幅改善HDTV及其他顯示器的背光照明。若無LED背光，LCD HDTV便無法清晰呈現強烈對比和高解析度效果。
至於如何將新一代LED之優點發揮得淋漓盡致，則是照明系統設計人員最大的挑戰之一。由於LED通常要求精準及高效率的直流電源及調光方式，因此LED 驅動IC之設計必須能符合廣泛的多變需求。電源解決方案必須效果顯著、功能健全、精巧簡潔，並符合經濟效益。目前LED應用最顯著的兩個層面，為汽車應用及大型HDTV LCD顯示器之背光照明。由於LED在汽車應用上極具優勢，因此亦逐漸應用在各式汽車照明方面，包括車頭燈、儀表板／導航系統背光照明以及一般車內外照明。LCD HDTV傳統上使用的背光照明為CCFL(冷陰極燈管)，目前已由可獨立調光叢集之高亮度LED陣列取代，因此可精準調整局部畫面，促使對比效果遠高於傳統採用CCFL背光照明的HDTV。再者，由於LED擁有局部調光與反應時間快速之特性，因此可立即調整亮度，同時消除CCFL背光照明HDTV固有的模糊殘影現象。
汽車LED照明
高亮度LED具備體積小、使用壽命長、省電以及可快速開啟等優點，已為現今的汽車廣為採用。首次應用LED的設備是第三煞車燈(CHMSL)，這些設備使用紅色的LED營造出細長的照明效果，不但裝設簡易且無須更換。
以往白熾燈泡是最經濟實惠的照明來源，現今仍可見使用於許多汽車上，但隨著照明的可用空間逐漸縮減、以及長時間使用壽命的需求提升，使色澤多變兼具流線設計的LED正在許多應用上快速取代白熾燈泡。而白色LED陣列也隨之取代汽車資訊娛樂系統的傳統CCFL-LCD背光照明，其提供更精準即可調整之背光方式，使用壽命亦比汽車更長，這種現象已經漸趨普遍。甚至，採用鹵素／氙燈絲為主要設計的車頭燈也逐漸發展為可透過電力「操控」的高電流 LED。汽車設計採用LED的優點具備幾項正面意涵；第一，由於LED使用壽命長達10萬個小時以上(11年半)，遠超過汽車的使用壽命，因此汽車製造商只要將LED裝入車內照明設備，便永久無須更換，另外，其亦使得應用造型可具備重大突破，因LED照明系統不需白熾燈泡所要求的深度及空間。
圖1是Lexus LS600h的LED車頭燈，其最近已可在市面上購得，而Audi R8 與GM Escalade亦提供類似配件。這些款式汽車的整體照明配置皆同；每個頭燈總成共具備5顆LED，以達到最佳照明需求，包括大燈、遠光燈、邊燈、日間行車燈及方向燈等全採用LED。大燈通常需要35至50瓦特的電源，雖然瓦數不多，但同樣的電源可使LED發出比鹵素燈多10倍的亮度，而鹵素燈卻需要500瓦特才具備相同的亮度。遠光燈需要的電源通常與大燈相同或更多，而邊燈、日間行車燈與方向燈所需的電源較少。一般而言，每個燈源都須透過單一的HB LED驅動器使用，因採用多個50瓦特電力的設備，因此通常選用運用外部N通道MOSFET的LED驅動控制器。由於可傳送200瓦特以上的總電力至每個頭燈總成，因此對於希望降低外部散熱片之成本、縮小體積及重量汽車設計人員而言，研發可將熱降至最低的高效能LED驅動器便成為當務之急。
圖1 HB LED Lexus LS600h車頭燈／方向燈／行車燈
汽車LED照明設計
為確保最佳效能和長時間的使用壽命，LED必須使用高性能的驅動電路。這些驅動電路必須能承受汽車供電匯流排的嚴苛操作條件，同時必須符合經濟與空間效益，且為維護長時間的使用壽命，不得超過LED的電流與溫度限制。
車頭燈設備共有五個燈源，每個燈源約需50W LED電流。LED驅動控制器的設計必須能夠從汽車匯流排的標稱12V(36V暫態電流的9V至15V電源端傳送這些位準之電力。LED驅動器必須能將電壓提高至60V，以驅動14個1A LED(每個LED的順向電壓為3.5V至4V)。無論電池電壓之變化為何，LED驅動器仍須將穩定的電流傳送至LED串，這點極為重要，因此，擁有定頻，及採用電流模式的LED驅動器架構是最佳選擇。相較於電壓模式控制，電流模式控制可改善迴路動態並提供周期對周期電流限制，以提供穩定的電流源。
若汽車匯流排的主電源端連接電池及交流發電機，則將受到每日操作時大量暫態電壓高低起伏的影響，當電池線鬆脫或刻意拔除並重新連接時，會產生 36V的突波電壓，此即最劇烈的負載突降。LED驅動器必須調節暫態情況下的LED電流與輸出電壓，避免暫態電壓損壞或干擾LED運作。
此外，LED驅動控制器必須傳送超過90%的功率，以減少使用外部散熱片的機會，避免增加頭燈的成本、體積及重量。
HDTV背光照明
雖然看似無關，但汽車資訊娛樂系統及導航顯示器的LED背光照明，正趨動高調光比HB LED背光照明的運用。車內多變的環境亮度條件提高了對廣泛調光比的需求，同時這也是HDTV應用產生最佳動態範圍之色彩所需。
在消費性電子產品市場中，成長率最高的一項為平面HDTV。當消費者需要尺寸更大的HDTV及更高解析度時，這項需求便很快從電漿HDTV轉移到LCD HDTV。根據DisplaySearch公司指出，電漿HDTV的銷售量將在2008年達到顛峰，共計240億美元，而LCD HDTV將在2008年享有750億美元的市場規模，到2010年將成長至930億美元。不過LCD HDTV無論在快速移動的模糊現象或色彩複製準確性不高等方面都有嚴重缺失，換句話說，目前的LCD HDTV 無法達到全黑效果，各種色彩的動態範圍亦有改善空間，例如大部分的LCD HDTV僅能提供450和650 cd/m2的對比率，而這些HDTV的主要問題，是缺乏完整關閉或局部調整CCFL背光照明的能力。
相反地，採用HB LED背光照明技術，可透過LED陣列(52"顯示器最多具備 2,400顆)區分成240個獨立題調光叢集。每個叢集由10個30至50mA的LED組成，其可透過單一針腳提供局部調光，此類設計之對比率遠超過(大於 4,000 cd/m2) CCFL的設計方式。此外，若利用高調光比調整背光照明的LED叢集亮度，還可複製更多色彩的中間色調，讓畫面更為生動。
可完整關閉局部LED的另一項優勢，是減少動作模糊之現象。完全關閉各畫格之間的 LED後，可大幅度消除快速移動物體的相關模糊影像，若要解決CCFL背光LCD TV出現的快速動作模糊現象，LED超快回應率便顯得十分關鍵。
欲確保局部調光設計得以實行，能以廣泛調光比獨立調整之多通道LED驅動器不可或缺，所幸部分經驗豐富的電源設計人員已預見此類裝置的誕生。目前市面上的LED驅動器最高擁有16個獨立通道，每個通道最多可驅動10顆電流範圍為20mA至50mA的LED。此外，還可透過單一針腳，以高達5,000:1之比例為每個通道獨立調光，其可操作於35V至45V的輸入電壓，並具備高達92%的功率，減少使用散熱片的需求。最後，為提供非常低高度纖小解決方案，每個通道都需使用極小的外部元件，亦即晶片電感及小型的陶瓷輸出電容。所有16個通道的導通二極體、電源開關和具備補償之控制邏輯，都可緊縮至低高度的 QFN封裝中。
PWM直接調光功能的專屬設計可達到5,000:1的調光比。圖2為5000:1的PWM調光波形，以及外觀方正的LED電流波形。即使剛好在2μs的位置，20mA的LED電流也會以100Hz PWM的訊號同步開啟及關閉。PWM頻率越低，PWM調光比即越高，但若使用100Hz，則肉眼便無法察覺閃爍的速度。
結論
LED照明設備正以驚人的速度在汽車與LCD HDTV方面迅速成長，由此也產生了對高電流LED設備之LED驅動IC的特定效能需求。在汽車方面，這些應用包括車頭燈至車內照明；在HDTV方面，LED則提供更精密的局部調光方式來大幅提高影像品質。此外，除了汽車和HDTV市場以外，在同樣需要高效能的商業或企業環境中，亦到處可見LED應用。無論輸入電壓或LED順向電壓之變異為何，LED驅動器都必須提供定電流，以確保一致性亮度，同時必須以最高效能運作，提供廣泛調光比，而這些應用，必須是非常精小、且具備散熱效益的解決方案設計。
高亮度(HB)LED(發光二極體)正迅速取代汽車、企業、家庭及許多消費性電子應用之白熾燈泡，這亦是為何高亮度LED之市場分析統計數字方面存在如此大的差異。即使各方預測有異，但一項清晰可辨的趨勢是：高亮度(HB) LED市場正以驚人的速度蓬勃發展。根據法國Yole Development公司指出，LED市場將在2012年達到103億美元的規模，而高亮度與超高亮度的LED約占其中的44.5億美元，這幾乎是2007年市場規模7億8千3百萬美元的5.5倍(以封裝的 LED為基準)。
支撐這股令人印象深刻的成長潛能為何？首先，LED的發光效能是白熾燈泡的10倍，亦幾乎是日光燈的兩倍，因此其可大幅減少耗電量，但卻能產生相同的亮度(測量單位：流明)，並同時降低熱度。隨著LED持續發展，利用電能產生流明的效能也會持續增加。再者，因應全球環保意識抬頭，LED無須處理、使用和丟棄在日光燈泡內所含的有毒汞蒸汽。第三，白熾燈泡使用每1千個小時後即須更換，而日光燈泡的壽命也僅有1萬個小時，但LED卻擁有超過10萬個小時的使用壽命。在各種應用層面上，LED幾乎能永久安裝在設備上而無須更換，例如汽車的車身鈑件或HDTV的LCD顯示器，這是因汽車或HDTV使用壽命結束前都不必再更換LED。此外，比起同類產品，LED在體積上更小、更扁平，可大幅縮小外型尺寸，因此不管是車身內外或輕薄型消費性電子產品皆可使用。若配置紅、綠和藍色的LED，就能產生無限多種色彩，且LED具有肉眼幾乎察覺不到的點亮和開啟／關閉速度，如此一來可大幅改善HDTV及其他顯示器的背光照明。若無LED背光，LCD HDTV便無法清晰呈現強烈對比和高解析度效果。
至於如何將新一代LED之優點發揮得淋漓盡致，則是照明系統設計人員最大的挑戰之一。由於LED通常要求精準及高效率的直流電源及調光方式，因此LED 驅動IC之設計必須能符合廣泛的多變需求。電源解決方案必須效果顯著、功能健全、精巧簡潔，並符合經濟效益。目前LED應用最顯著的兩個層面，為汽車應用及大型HDTV LCD顯示器之背光照明。由於LED在汽車應用上極具優勢，因此亦逐漸應用在各式汽車照明方面，包括車頭燈、儀表板／導航系統背光照明以及一般車內外照明。LCD HDTV傳統上使用的背光照明為CCFL(冷陰極燈管)，目前已由可獨立調光叢集之高亮度LED陣列取代，因此可精準調整局部畫面，促使對比效果遠高於傳統採用CCFL背光照明的HDTV。再者，由於LED擁有局部調光與反應時間快速之特性，因此可立即調整亮度，同時消除CCFL背光照明HDTV固有的模糊殘影現象。
汽車LED照明
高亮度LED具備體積小、使用壽命長、省電以及可快速開啟等優點，已為現今的汽車廣為採用。首次應用LED的設備是第三煞車燈(CHMSL)，這些設備使用紅色的LED營造出細長的照明效果，不但裝設簡易且無須更換。
以往白熾燈泡是最經濟實惠的照明來源，現今仍可見使用於許多汽車上，但隨著照明的可用空間逐漸縮減、以及長時間使用壽命的需求提升，使色澤多變兼具流線設計的LED正在許多應用上快速取代白熾燈泡。而白色LED陣列也隨之取代汽車資訊娛樂系統的傳統CCFL-LCD背光照明，其提供更精準即可調整之背光方式，使用壽命亦比汽車更長，這種現象已經漸趨普遍。甚至，採用鹵素／氙燈絲為主要設計的車頭燈也逐漸發展為可透過電力「操控」的高電流 LED。汽車設計採用LED的優點具備幾項正面意涵；第一，由於LED使用壽命長達10萬個小時以上(11年半)，遠超過汽車的使用壽命，因此汽車製造商只要將LED裝入車內照明設備，便永久無須更換，另外，其亦使得應用造型可具備重大突破，因LED照明系統不需白熾燈泡所要求的深度及空間。
圖1是Lexus LS600h的LED車頭燈，其最近已可在市面上購得，而Audi R8 與GM Escalade亦提供類似配件。這些款式汽車的整體照明配置皆同；每個頭燈總成共具備5顆LED，以達到最佳照明需求，包括大燈、遠光燈、邊燈、日間行車燈及方向燈等全採用LED。大燈通常需要35至50瓦特的電源，雖然瓦數不多，但同樣的電源可使LED發出比鹵素燈多10倍的亮度，而鹵素燈卻需要500瓦特才具備相同的亮度。遠光燈需要的電源通常與大燈相同或更多，而邊燈、日間行車燈與方向燈所需的電源較少。一般而言，每個燈源都須透過單一的HB LED驅動器使用，因採用多個50瓦特電力的設備，因此通常選用運用外部N通道MOSFET的LED驅動控制器。由於可傳送200瓦特以上的總電力至每個頭燈總成，因此對於希望降低外部散熱片之成本、縮小體積及重量汽車設計人員而言，研發可將熱降至最低的高效能LED驅動器便成為當務之急。
圖1 HB LED Lexus LS600h車頭燈／方向燈／行車燈
汽車LED照明設計
為確保最佳效能和長時間的使用壽命，LED必須使用高性能的驅動電路。這些驅動電路必須能承受汽車供電匯流排的嚴苛操作條件，同時必須符合經濟與空間效益，且為維護長時間的使用壽命，不得超過LED的電流與溫度限制。
車頭燈設備共有五個燈源，每個燈源約需50W LED電流。LED驅動控制器的設計必須能夠從汽車匯流排的標稱12V(36V暫態電流的9V至15V電源端傳送這些位準之電力。LED驅動器必須能將電壓提高至60V，以驅動14個1A LED(每個LED的順向電壓為3.5V至4V)。無論電池電壓之變化為何，LED驅動器仍須將穩定的電流傳送至LED串，這點極為重要，因此，擁有定頻，及採用電流模式的LED驅動器架構是最佳選擇。相較於電壓模式控制，電流模式控制可改善迴路動態並提供周期對周期電流限制，以提供穩定的電流源。
若汽車匯流排的主電源端連接電池及交流發電機，則將受到每日操作時大量暫態電壓高低起伏的影響，當電池線鬆脫或刻意拔除並重新連接時，會產生 36V的突波電壓，此即最劇烈的負載突降。LED驅動器必須調節暫態情況下的LED電流與輸出電壓，避免暫態電壓損壞或干擾LED運作。
此外，LED驅動控制器必須傳送超過90%的功率，以減少使用外部散熱片的機會，避免增加頭燈的成本、體積及重量。
HDTV背光照明
雖然看似無關，但汽車資訊娛樂系統及導航顯示器的LED背光照明，正趨動高調光比HB LED背光照明的運用。車內多變的環境亮度條件提高了對廣泛調光比的需求，同時這也是HDTV應用產生最佳動態範圍之色彩所需。
在消費性電子產品市場中，成長率最高的一項為平面HDTV。當消費者需要尺寸更大的HDTV及更高解析度時，這項需求便很快從電漿HDTV轉移到LCD HDTV。根據DisplaySearch公司指出，電漿HDTV的銷售量將在2008年達到顛峰，共計240億美元，而LCD HDTV將在2008年享有750億美元的市場規模，到2010年將成長至930億美元。不過LCD HDTV無論在快速移動的模糊現象或色彩複製準確性不高等方面都有嚴重缺失，換句話說，目前的LCD HDTV 無法達到全黑效果，各種色彩的動態範圍亦有改善空間，例如大部分的LCD HDTV僅能提供450和650 cd/m2的對比率，而這些HDTV的主要問題，是缺乏完整關閉或局部調整CCFL背光照明的能力。
相反地，採用HB LED背光照明技術，可透過LED陣列(52"顯示器最多具備 2,400顆)區分成240個獨立題調光叢集。每個叢集由10個30至50mA的LED組成，其可透過單一針腳提供局部調光，此類設計之對比率遠超過(大於 4,000 cd/m2) CCFL的設計方式。此外，若利用高調光比調整背光照明的LED叢集亮度，還可複製更多色彩的中間色調，讓畫面更為生動。
可完整關閉局部LED的另一項優勢，是減少動作模糊之現象。完全關閉各畫格之間的 LED後，可大幅度消除快速移動物體的相關模糊影像，若要解決CCFL背光LCD TV出現的快速動作模糊現象，LED超快回應率便顯得十分關鍵。
欲確保局部調光設計得以實行，能以廣泛調光比獨立調整之多通道LED驅動器不可或缺，所幸部分經驗豐富的電源設計人員已預見此類裝置的誕生。目前市面上的LED驅動器最高擁有16個獨立通道，每個通道最多可驅動10顆電流範圍為20mA至50mA的LED。此外，還可透過單一針腳，以高達5,000:1之比例為每個通道獨立調光，其可操作於35V至45V的輸入電壓，並具備高達92%的功率，減少使用散熱片的需求。最後，為提供非常低高度纖小解決方案，每個通道都需使用極小的外部元件，亦即晶片電感及小型的陶瓷輸出電容。所有16個通道的導通二極體、電源開關和具備補償之控制邏輯，都可緊縮至低高度的 QFN封裝中。
PWM直接調光功能的專屬設計可達到5,000:1的調光比。圖2為5000:1的PWM調光波形，以及外觀方正的LED電流波形。即使剛好在2μs的位置，20mA的LED電流也會以100Hz PWM的訊號同步開啟及關閉。PWM頻率越低，PWM調光比即越高，但若使用100Hz，則肉眼便無法察覺閃爍的速度。
結論
LED照明設備正以驚人的速度在汽車與LCD HDTV方面迅速成長，由此也產生了對高電流LED設備之LED驅動IC的特定效能需求。在汽車方面，這些應用包括車頭燈至車內照明；在HDTV方面，LED則提供更精密的局部調光方式來大幅提高影像品質。此外，除了汽車和HDTV市場以外，在同樣需要高效能的商業或企業環境中，亦到處可見LED應用。無論輸入電壓或LED順向電壓之變異為何，LED驅動器都必須提供定電流，以確保一致性亮度，同時必須以最高效能運作，提供廣泛調光比，而這些應用，必須是非常精小、且具備散熱效益的解決方案設計。
