集成功率级LED与恒流源电路一体化设计
集成功率级led与恒流源电路一体化设计
目前,功率级led产品有两种实现方式：一是采用单一的大面积功率级led芯片封装,美国、日本已经有5w芯片的产品推向市场,需要低压大电流的恒流驱动电源供电,其价格也比较高;另一种是采用小功率芯片集成方式实现功率级led,日本松下电工已经开发出20w的集成led产品。然而由于功率级led在低压大电流条件下工作,对于远距离的恒流驱动电源供电却存在着线路功耗大、系统可靠性低等许多难以解决的技术问题。
在承担的国家级科技攻关项目中,我们将新设计的dis1xxx系列浮压恒流集成二极管与led芯片通过厚膜集成电路工艺技术集成为一体,解决了集成功率级led在使用中的恒流电源供电问题,其电流稳定度、温度漂移和可靠性等技术指标,均符合项目要求。
2 主要参数设计
采用单晶硅片作为基板,用双极型集成电路工艺方法在硅片上制作二氧化硅绝缘层、铝导电反光层,将多个led芯片、smd阻容元件和dis1xxx 系列浮压恒流集成芯片集成在一起。通过光刻和扩散工艺,在单晶硅层形成反向稳压二极管,用于泄放静电,以提高led的抗静电能力。我们设计的5w功率级集成led,采用80个0.3mm×0.3mm的 led蓝光芯片,通过涂敷yag荧光粉发白光,主要技术参数为：
输入电压范围vin：dc 150 ±5 v;
恒定工作电流io ：20 ma×2ma;
电流稳定误差△io：＜ ±5 ％;
恒流温度漂移△it ：＜5 μa/℃;
抗静电电压：veds≥1500 v;
电功率：pm ≥ 5 w（加散热片）;
光效≥17 lm/w;
热阻：rθ≤16℃/w（包括硅基板和铜热沉）;
3 电路结构设计
3.1 电路原理设计
电路原理设计（图1）使用了两个dis1020a 浮压恒流集成二极管分为两路恒流驱动各40个串联led,每路的工作电流为20ma。在硅基板上,采用扩散工艺制作了16个56v/10ma的稳压二极管以吸收、泄放静电,保护led不会受到静电的击穿而失效。电路中,设计的电容、二极管主要为了吸收来自外部供电电源的谐波、脉冲和其他干扰信号,减少这些干扰信号对产品的影响,提高产品的可靠性和工作环境适应性。
3.2 混合集成设计
采用硅基板与铜热沉结构设计（图2）,80个 led设计为10×8矩阵结构,每10个led与一组2个稳压二极管构成一个单元,硅基片的底面为稳压二极管的p区,n区通过铝导电反光层与每组led的正、负极分别连接在一起,通过合金工艺实现欧姆接触。smd电容c1,c2,c3和二极管d1设计在外围区域,减少对光的吸收和遮光等不良影响。
3.3 热沉的温度梯度设计
为了提高产品的可靠性,采用1mil的金丝进行键合球焊,由于led数量较多,硅基板的面积较大,导致硅基板中心部位的热量不能及时传到热沉上,致使温度升高造成中心部位的led发光亮度降低。为此,采用新的合金技术进行铜热沉结构设计,减少了热沉的热阻rθ和温度梯度dt( x,y)/dl,使硅基板中心部位的热量能够及时传到热沉上,再通过外壳进行散热,以提高产品的可靠性。硅基板为矩形结构,厚度为0.3mm,其热阻可以用下列公式进行描述[1]
rθ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/
2k(a-b)
式中,a和b分别为硅基板的和宽; x为硅基板的厚度;k为硅基板的热导率。
4 主要参数测试结果
4.1 热阻与温度梯度
试验和批量生产的产品经过使用证明,完全达到设计要求。表1是热阻rθ、位置x,y 和温度梯度dt(x, y)/dlx,dt(x,y)/d ly采用光热阻扫描方法[2]测试的结果,以硅基板中心为原点,分别测试x,-x,y和-y等距离为1mm的温度。
4.2 温度漂移
图3是产品的温度漂移参数△i t与恒定工作电流io的关系曲线。产品温度漂移的试验环境温度为-50～100℃,以25℃/40ma为参考基准,100℃时的最大温度漂移为1.64μa/℃, -50℃时的最大温度漂移为1.49μa/℃。在正常环境条件（ -25～50℃）下使用,其平均温度漂移为0.94μa/℃,完全满足设计指标和实际使用的要求。
4.3 发光效率与抗静电
由于功率级led芯片面积较大,工作时产生的高温难以及时传导出去,使led芯片及pn结的温度过高,导致发光效率随着功率、温度的增加而急剧下降。因此,在集成功率级led设计时,采取了高导热率的硅基板结构设计和铜合金技术的热沉设计,使其热阻大幅度降低,产品的发光效率得到提高,平均在18～20 lm/w。
防静电设计的效果比较明显,将50只产品置于静电为1600～1800v的环境中,连续工作48h,无发生静电击穿现象。
5 结论
产品的一体化设计成功,使集成功率级led在应用过程中减少了对恒流驱动电源的要求,可以直接使用稳压电源进行驱动,而且对稳压电源的要求也比较宽松,供电电压在±10%以内变化时,led能够保证在恒流状态下正常工作,从而提高了led 的可靠性。同时,产品在实际使用过程中,可以大大简化其工频驱动电源电路的设计,由于采用很小的驱动电流电路,使远距离供电线路的损耗非常低,特别适用于在远距离供电情况下使用。
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5 结论
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