集成功率級LED與恒流源電路一體化設計

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。

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??? 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。　

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??? 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。　

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??? 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。