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集成功率級LED與恒流源電路一體化設(shè)計

    作者：宏拓新軟件
    發(fā)布日期：2009-05-11         
閱讀：23     
 
 
1 引言

　　目前，功率級LED產(chǎn)品有兩種實現(xiàn)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(jīng)有5W芯片的產(chǎn)品推向市場，需要低壓大電流的恒流驅(qū)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(xiàn)功率級LED，日本松下電工已經(jīng)開發(fā)出20W的集成LED產(chǎn)品。
然而由于功率級LED在低壓大電流條件下工作，對于遠(yuǎn)距離的恒流驅(qū)動電源供電卻存在著線路功耗大、系統(tǒng)可靠性低等許多難以解決的技術(shù)問題。

　　在承擔(dān)的國家級科技攻關(guān)項目中，我們將新設(shè)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(shù)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(wěn)定度、溫度漂移和可靠性等技術(shù)指標(biāo)，均符合項目要求。

2 主要參數(shù)設(shè)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(dǎo)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(kuò)散工藝，在單晶硅層形成反向穩(wěn)壓二極管，用于泄放靜電，以提高LED的抗靜電能力。我們設(shè)計的5W功率級集成LED，采用80個0.3mm×0.3mm的 LED藍(lán)光芯片，通過涂敷YAG熒光粉發(fā)白光，主要技術(shù)參數(shù)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(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 電路原理設(shè)計

　　電路原理設(shè)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(qū)動各40個串聯(lián)LED，每路的工作電流為20mA。在硅基板上，采用擴(kuò)散工藝制作了16個56V/10mA的穩(wěn)壓二極管以吸收、泄放靜電，保護(hù)LED不會受到靜電的擊穿而失效。電路中，設(shè)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(chǎn)品的影響，提高產(chǎn)品的可靠性和工作環(huán)境適應(yīng)性。

　


3.2 混合集成設(shè)計

　　采用硅基板與銅熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖2），80個 LED設(shè)計為10×8矩陣結(jié)構(gòu)，每10個LED與一組2個穩(wěn)壓二極管構(gòu)成一個單元，硅基片的底面為穩(wěn)壓二極管的p區(qū)，n區(qū)通過鋁導(dǎo)電反光層與每組LED的正、負(fù)極分別連接在一起，通過合金工藝實現(xiàn)歐姆接觸。SMD電容C1，C2，C3和二極管D1設(shè)計在外圍區(qū)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(shè)計

　　為了提高產(chǎn)品的可靠性，采用1mil的金絲進(jìn)行鍵合球焊，由于LED數(shù)量較多，硅基板的面積較大，導(dǎo)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(fā)光亮度降低。為此，采用新的合金技術(shù)進(jìn)行銅熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行散熱，以提高產(chǎn)品的可靠性。硅基板為矩形結(jié)構(gòu)，厚度為0.3mm，其熱阻可以用下列公式進(jìn)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(dǎo)率。

4 主要參數(shù)測試結(jié)果

4.1 熱阻與溫度梯度

　　試驗和批量生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過使用證明，完全達(dá)到設(shè)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(jié)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(chǎn)品的溫度漂移參數(shù)△I T與恒定工作電流Io的關(guān)系曲線。產(chǎn)品溫度漂移的試驗環(huán)境溫度為-50～100℃，以25℃/40mA為參考基準(zhǔn)，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(huán)境條件（ -25～50℃）下使用，其平均溫度漂移為0.94μA/℃，完全滿足設(shè)計指標(biāo)和實際使用的要求。

　　


4.3 發(fā)光效率與抗靜電

　　由于功率級LED芯片面積較大，工作時產(chǎn)生的高溫難以及時傳導(dǎo)出去，使LED芯片及pn結(jié)的溫度過高，導(dǎo)致發(fā)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(shè)計時，采取了高導(dǎo)熱率的硅基板結(jié)構(gòu)設(shè)計和銅合金技術(shù)的熱沉設(shè)計，使其熱阻大幅度降低，產(chǎn)品的發(fā)光效率得到提高，平均在18～20 Lm/W。


　　防靜電設(shè)計的效果比較明顯，將50只產(chǎn)品置于靜電為1600～1800V的環(huán)境中，連續(xù)工作48h，無發(fā)生靜電擊穿現(xiàn)象。

5 結(jié)論

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

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