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。