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集成功率級LED與恒流源電路一體化設計

    作者：宏拓新軟件
    發布日期：2009-05-11         
閱讀：53     
 
 
1 引言

　　目前，功率級LED產品有兩種實現方式：一是采用單一的大面積功率級LED芯片封裝，美國、日本已經有5W芯片的產品推向市場，需要低壓大電流的恒流驅動電源供電，其價格也比較高；另一種是采用小功率芯片集成方式實現功率級LED，日本松下電工已經開發出20W的集成LED產品。
然而由于功率級LED在低壓大電流條件下工作，對于遠距離的恒流驅動電源供電卻存在著線路功耗大、系統可靠性低等許多難以解決的技術問題。

　　在承擔的國家級科技攻關項目中，我們將新設計的DIS1xxx系列浮壓恒流集成二極管與LED芯片通過厚膜集成電路工藝技術集成為一體，解決了集成功率級LED在使用中的恒流電源供電問題，其電流穩定度、溫度漂移和可靠性等技術指標，均符合項目要求。

2 主要參數設計

　　采用單晶硅片作為基板，用雙極型集成電路工藝方法在硅片上制作二氧化硅絕緣層、鋁導電反光層，將多個LED芯片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮壓恒流集成芯片集成在一起。通過光刻和擴散工藝，在單晶硅層形成反向穩壓二極管，用于泄放靜電，以提高LED的抗靜電能力。我們設計的5W功率級集成LED，采用80個0.3mm×0.3mm的 LED藍光芯片，通過涂敷YAG熒光粉發白光，主要技術參數為：

　　輸入電壓范圍Vin：DC 150 ±5 V；

　　恒定工作電流Io ：20 mA×2mA；

　　電流穩定誤差△Io：＜ ±5 ％；

　　恒流溫度漂移△IT ：＜5 μA/℃；

　　抗靜電電壓：VEDS≥1500 V；

　　電功率：Pm ≥ 5 W（加散熱片）；

　　光效≥17 Lm/W；

　　熱阻：RΘ≤16℃/W（包括硅基板和銅熱沉）；

3 電路結構設計

3.1 電路原理設計

　　電路原理設計（圖1）使用了兩個DIS1020A 浮壓恒流集成二極管分為兩路恒流驅動各40個串聯LED，每路的工作電流為20mA。在硅基板上，采用擴散工藝制作了16個56V/10mA的穩壓二極管以吸收、泄放靜電，保護LED不會受到靜電的擊穿而失效。電路中，設計的電容、二極管主要為了吸收來自外部供電電源的諧波、脈沖和其他干擾信號，減少這些干擾信號對產品的影響，提高產品的可靠性和工作環境適應性。

　


3.2 混合集成設計

　　采用硅基板與銅熱沉結構設計（圖2），80個 LED設計為10×8矩陣結構，每10個LED與一組2個穩壓二極管構成一個單元，硅基片的底面為穩壓二極管的p區，n區通過鋁導電反光層與每組LED的正、負極分別連接在一起，通過合金工藝實現歐姆接觸。SMD電容C1，C2，C3和二極管D1設計在外圍區域，減少對光的吸收和遮光等不良影響。



3.3 熱沉的溫度梯度設計

　　為了提高產品的可靠性，采用1mil的金絲進行鍵合球焊，由于LED數量較多，硅基板的面積較大，導致硅基板中心部位的熱量不能及時傳到熱沉上，致使溫度升高造成中心部位的LED發光亮度降低。為此，采用新的合金技術進行銅熱沉結構設計，減少了熱沉的熱阻RΘ和溫度梯度dT( x，y)/dL，使硅基板中心部位的熱量能夠及時傳到熱沉上，再通過外殼進行散熱，以提高產品的可靠性。硅基板為矩形結構，厚度為0.3mm，其熱阻可以用下列公式進行描述[1]

　　RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/

　　2k(a-b)

　　式中，a和b分別為硅基板的長和寬； x為硅基板的厚度；k為硅基板的熱導率。

4 主要參數測試結果

4.1 熱阻與溫度梯度

　　試驗和批量生產的產品經過使用證明，完全達到設計要求。表1是熱阻RΘ、位置x，y 和溫度梯度dT(x, y)/dLx，dT(x，y)/d Ly采用光熱阻掃描方法[2]測試的結果，以硅基板中心為原點，分別測試X，-X，Y和-Y等距離為1mm的溫度。

　 　


4.2 溫度漂移

　　圖3是產品的溫度漂移參數△I T與恒定工作電流Io的關系曲線。產品溫度漂移的試驗環境溫度為-50～100℃，以25℃/40mA為參考基準，100℃時的最大溫度漂移為1.64μA/℃， -50℃時的最大溫度漂移為1.49μA/℃。在正常環境條件（ -25～50℃）下使用，其平均溫度漂移為0.94μA/℃，完全滿足設計指標和實際使用的要求。

　　


4.3 發光效率與抗靜電

　　由于功率級LED芯片面積較大，工作時產生的高溫難以及時傳導出去，使LED芯片及pn結的溫度過高，導致發光效率隨著功率、溫度的增加而急劇下降。因此，在集成功率級LED設計時，采取了高導熱率的硅基板結構設計和銅合金技術的熱沉設計，使其熱阻大幅度降低，產品的發光效率得到提高，平均在18～20 Lm/W。


　　防靜電設計的效果比較明顯，將50只產品置于靜電為1600～1800V的環境中，連續工作48h，無發生靜電擊穿現象。

5 結論

　　產品的一體化設計成功，使集成功率級LED在應用過程中減少了對恒流驅動電源的要求，可以直接使用穩壓電源進行驅動，而且對穩壓電源的要求也比較寬松，供電電壓在±10%以內變化時，LED能夠保證在恒流狀態下正常工作，從而提高了LED 的可靠性。同時，產品在實際使用過程中，可以大大簡化其工頻驅動電源電路的設計，由于采用很小的驅動電流電路，使遠距離供電線路的損耗非常低，特別適用于在遠距離供電情況下使用。
 

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