大功率LED芯片（精选十篇）
大功率LED芯片 篇1
LED凭借能源消耗低、发光效率高、环保、使用寿命长、安全可靠等众多优势在照明领域获得一席之地,并有不断扩大的趋势,同样LED照明产业也带来了十分显著的经济效益和社会效益。因此,LED照明的迅速普及也带动了LED驱动芯片产业的蓬勃发展,使得LED驱动芯片已成为电源管理电路市场的重要组成部分[1,2,3,4,5]。由于LED照明的光亮度与其导通电流的强度密切相关,恒流驱动是最理想的选择,本文设计了一款输入电压范围宽,输入电流精度高,PWM数字调光,可驱动大功率的LED恒流驱动芯片。
1 芯片的总体设计及应用
1.1 芯片结构及工作原理
本款芯片是DC/DC降压型LED恒流驱动芯片,其输入电压范围宽,达到6 V至45 V,输出正向电流最高可达1.5 A,可以满足大部分直流应用,能使流过不超过最高输出电压的串联LED的电流稳定。采用迟滞控制模式,利用Buck电路中电感电流的不可突变性,通过采样电阻的反馈电压与芯片内部的参考电压进行比较,通过内部MOSFET开关控制输出电压导通关闭,从而实现恒流的目的,对LED进行恒流驱动。该芯片同时具有参考电压低、瞬态响应极快、数字(PWM)调光、UVLO欠压保护、过热保护的特点,主要包括带隙基准源(REF)模块、LDO模块、偏置电流产生模块、数字调光模块、过温保护(TSD)模块、逻辑控制(logical control)模块、Driver模块[6,7]。总体结构示意图如图1所示。
当输入电压VIN接通后,电压调节器高压LDO开始工作,为模拟控制电路部分提供5 V的电源VOUT。当欠压锁存单元(UVLO)监测到LDO的输出达到4 V时,会向偏置电路模块、过热保护电路模块、逻辑控制电路模块和驱动电路模块发出使能信号(EN),此时芯片整个系统开始工作,内置NLDMOS功率器件M1导通,电感L的电流开始上升,由于采样电阻RSNS上的电流等于电感L上的电流,该电流流过反馈电阻RSNS后,产生一个反馈电压VSNS,VSNS会通过Vfb引脚反馈到芯片内部,而Vfb引脚内会产生一个由芯片内部基准产生的参考电压Vref(本文设计芯片为200 m V),此时芯片中的比较器会将反馈电压VSNS和参考电压Vref进行比较,如果反馈电压VSNS低于参考电压Vref,那么芯片会使内部的NLDMOS导通,导通的时间TON是由与clt引脚相连的电阻RON和输入电压VIN所决定的。导通时间TON结束后,NLDMOS会关断一个时间,我们把这个时间称之为最小关断时间TOFF-MIN(本文设计的芯片最小关断时间为200 ns)。最小关断时间TOFF-MIN结束以后,芯片对VSNS和参考电压Vref进行比较,如果VSNS小于Vref,M1导通,开始下一次的循环工作,再次比较反馈电压VSNS和参考电压Vref之间的大小。另外,当NLDMOS导通时,如果外部元件如电阻RON和电感L的取值不恰当,例如电阻RON过大或者电感L过小,从而导致Vfb上的电压降超过300 m V,此时连接在Vfb端的另外一个比较器的输出信号状态会翻转,强制NLDMOS关断,芯片停止工作。其典型应用电路如图2所示。
1.2 芯片的改进驱动方案
上文对本款芯片做了整体的描述,并通过芯片的典型应用图对其工作原理做了具体分析,但是具体在研究分析过程中发现芯片的典型应用方案对输入电压变化幅度要求较高,一般不超过±10%,如果输入电压变化幅度超过这个范围,输出电流精度误差将显著增加,所以在此芯片的基础上设计一种新型的LED恒流驱动电路,并构建了实验电路。实验结果表明:该电路解决了之前芯片典型应用方案输出电流随输入电压变化的问题,使得输出电流精度误差小于1%,从外部电路增强了该芯片的功能,从而也拓宽了其应用范围。新型LED驱动方案如图3所示。
比较图2与图3可以看出,图3提出的新型驱动方案的电路在VIN端口与Vjb端口分别添加了R1与R2电阻,其中R1为大电阻,设计阻值应该较大,R2为小电阻,设计阻值应该较小,下面就对这样改进的具体原理进行分析。
改进前电路如图2中反馈到Vfb端口的反馈电压VCS1是由采样电阻RSNS所决定的,满足式(1):
改进后电路如图3中反馈到Vfb端口的反馈电压VCS2是由采样电阻RSNS和R2共同决定的,满足式(2):
式(2)中的VR2表示电阻R2两端的电压,VR2又满足于式(3):
式(3)中的IR1表示流过电阻R1的电流,而IR1是由输入电压VIN、反馈电压VCS2、电阻R1共同决定,满足于式(4):
将式(3)和式(4)整理可以得到:
再将式(5)代入式(2)中,整理后可以得到反馈电压VCS2的新表达式:
式(6)中,VIN表示输入电压;ILED是流过LED的电流;VCS2是改进后新型驱动方案的反馈电压。
通过对整理分析后的反馈电压VCS2的新表达式(6)进行分析可以看出,当输入电压VIN增加时反馈电压VCS2也随之增加,这将起着抵消输出电流随输入电压增加而增加的作用,所以只要大电阻R1与小电阻R2选取合适,通过分子上R2和分母上的R1之间的数学关系可以看出输出电流IF与输入电压VIN的关系就变得微乎其微,甚至可以忽略不计。这个新型LED驱动方案就解决了芯片典型应用的驱动电路输入电压变化幅度只能限制在±10%的问题,使输入电压变化幅度可以达到±50%甚至更多,大幅度提升了该芯片的功能,进一步拓宽了该芯片应用范围。
2 版图布局与芯片仿真结果
2.1 整体版图布局
版图设计是集成电路设计中一个非常重要的环节,直接决定芯片的成本和性能。本文主要从引线布局和模块布局来分析芯片整体布局设计。
2.1.1 管脚布局设计
本文设计芯片共有8个管脚,重要的管脚有输入脚VIN、开关脚SW、功率NLDMOS的驱动模块浮动电源脚VCC以及接地脚VSS。在芯片应用中电源脚VCC和开关脚SW之间要连接一个电容,因此,把电源脚VCC的焊盘放置在靠近开关脚SW的地方。此外芯片周围都是接地线,对接地脚VSS焊盘放置的设计主要考虑到接地脚VSS需要靠近电压参考源模块,其他管脚焊盘的放置主要从节省芯片面积来考虑。
2.1.2 功能模块布局设计
功能模块布局重点考虑模拟和数字信号干扰问题、热效应和散热问题等。在布局上主要是把模拟电路部分放置在远离功率器件的地方以减少功率器件发热对模拟电路的影响。数字控制模块放在芯片的中部,功率器件驱动模块紧靠功率器件放置,功率器件放置在芯片的最上方[8,9]。
2.1.3 实际整体版图设计
根据上述的版图布局设计考虑,对芯片版图进行整体布局和设计优化,如图4所示,最终版图面积为1 680μm×1 210μm。在版图设计好后,对版图进行了DRC和LVS检查验证,并把GDS数据传送到VIS进行MPW流片制造。
2.2 整体电路仿真结果
总体电路应用仿真连接图如图5所示。
在对控制芯片实际应用进行模拟分析时,为了更接近于实际情况,在芯片的每个管脚和相关的连接线上加入1 n H寄生电感和20 MΩ的寄生电阻。模拟中的参数选取如下:RON=100 kΩ,Cboot=10 n F,Cldo=220 n F,L=47μH。电容CO是并联在LED两端的电容,电容CO的取值大小对LED电流纹波有影响,当电容CO取较大值时,LED上的电流纹波会比较小,但是会对系统调光有一定的影响,当电容CO取较小值时,有利于系统调光,但是LED上的电流纹波会轻微增大。
图6所示是输入电压、调光控制信号、以及电感电流和LED电流波形。随PWM调光控制信号Vadj从逻辑“0”向逻辑“1”变化,电感L和LED上的电流也从0增加至其额定值,这样可以看出,只要改变PWM调光控制信号Vadj的占空比,就可以实现调光。从图6不难看出电感L和LED上的电流随输入电压VIN增加有微小增加。为了解决这一问题,在电路设计中提出了增加两个电阻和一个高压NLDMOS器件的改进方案,如图7所示,其中电阻R1=500 kΩ,R2=500Ω。这样,LED上的电流不再随输入电压VIN的增加而增加。图8得到的结果验证了这一点:尽管电感L和LED上电流的纹波随输入电压VIN的增加而稍微增加,但平均电流基本一致,不随输入电压而变化。
4 测试结果
选取电阻R1=500 kΩ,R2=500Ω,采样电阻RSNS=0.3Ω,电感L=10μH,CO=220 n F,Ron=300 kΩ;负载为8个功率为1 W的LED灯珠串联。
测试结果如图9所示,其中VIN代表输入电压,IF为输出电流。从图9可以清楚看出,当输入电压从20 V逐渐增加到40 V时,原芯片驱动电路中输出电流IF从756 m A增加到804 m A,变化幅度6.35%,对芯片内部结构改进后,其驱动电路中电流从699 m A下降到692 m A,变化幅度仅为0.86%,到达输出电流基本不随输入电压变化,从而使输出电流的纹波非常小,解决了输入电压变化幅度只能在10%的问题。
测试结果表明当输入电压变化一倍时,输出电流精度误差小于1%,进一步提高了输出电流精度,进一步增强了芯片的功能,扩大了芯片的应用范围。
5 结论
本文设计了一种降压型恒流LED驱动芯片,其输出电流精度极高,可低于1%。芯片采用控制导通时间的控制方式,并具有PWM调光功能。芯片内部具有多种保护功能并对其重要模块进行了分析。针对其对输入电压纹波要求较高,对芯片的内部结构进行改进,减小了输入电压波动对输出电流的影响,实现低纹波恒流驱动,具有很高的实用价值。
参考文献
[1]杨卫丽,赵野,黑勇.用于LED驱动芯片的高低边电流检测电路[J].微电子学与计算机,2013,30(1):94-96,99.
[2]张彦科,鲍嘉明.一种基于升压DC-DC变换器的白光LED驱动芯片[J].微电子学,2011,41(4):525-527,535.
[3]李科举,陈迪平,陈思园,等.一种非隔离型LED照明恒流驱动芯片设计[J].固体电子学研究与进展,2013,33(2):189-193.
[4]刘晓亮,黄飞,梅当民,等.一种基于固定关断时间的LED驱动芯片设计[J].微电子学,2013,43(5):633-636.
[5]叶益迭,何乐年.高可靠、高效率的白光led高压驱动芯片[J].电路与系统学报,2013,18(2):12-19.
[6]陈晓飞,邹雪城,林双喜.数字调光PWM升压LED驱动芯片设计[J].半导体光电,2008,29(4):617-620.
[7]马晓玉,邓婉玲,黎永健,等.一种彩色LED显示屏16位恒流驱动专业芯片的设计[J].电子技术应用,2010,36(12):55-57.
[8]吴嘉士,黄继伟,张荣晶,等.一种宽电压输入范围电流可调型LED恒流驱动芯片设计[J].中国集成电路,2015,Z1:39-43,83.
大功率LED芯片 篇2
随着全球气候变化形势的加剧与能源价格趋势的不断上涨，我国对LED研究与制造产业十分重视，节约能源是我们未来面临的重要问题。它具有高节能，环保，寿命长，体积小，多变幻等特点。在照明领域，节约能源方面优势明显的LED发光产品的应用正吸引着世人的目光。
当今中国道路照明用电量约占整个照明用电量的30%，庞大的用电量与需求量驱使着大功率LED必将取代白炽灯照明。LED作为一种新型的绿色光源产品，是未来发展的趋势。研究数据显示，2010年全球LED照明应用产品市场规模为40.0亿美元，同比增长40.4%，增长迅速。预计2014年，全球LED照明应用产品市场规模将达到625.0亿美元，为2010年的15倍，年复合增长率达到73.3%。
目前，我国已经将LED在国内的城市照明、城市景观、交通、商业和民用照明工程中的应用作为重大科技节能专项来推广，并列为中国“十二五”计划中的战略性新兴产业。目前，现代灯具正处于从“亮起来”到“靓起来”的转型中，更强调装饰性和美学效果。现代装饰灯具的设计与制作运用现代科学技术，将古典造型与时代感相结合，体现了现代照明技术的成功。LED装饰照明作为LED产业重要组成部分在城市夜景中得到了大量的使用，为城市带来了美丽与繁荣。
1.大功率LED在装饰照明中的优越性
（1）LED电压：大功率LED使用的是低压电源，正向电压通常在2-24V之间（当然根据产品不同而异），而传统白炽灯使用的是高压电源，所以使用大功率LED产品是一个比使用高压电源的白炽灯产品更安全更节能，特别适用于公共场所。
（2）LED效能：大功率LED工作所消耗的能量较同光效的白炽灯减少至少80%，这样就对当前的节能环保有利。
（3）LED芯片规格：LED芯片很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，能够适应于多种环境。
（4）LED对环境无污染：大功率LED等LED产品在研发生产中就考虑到了有关环境，危害等问题，其成分中无水银等有害物质。
（5）LED响应时间：就响应时间来看，传统的白炽灯远不及大功率LED对电流的反应时间。我们如果把白炽灯响应时间设为毫秒级，那么大功率LED灯的响应时间就为纳秒级。
（6）LED低光衰性：像大功率LED这样的LED产品都具有超低光衰性能。因为LED作为冷光源，而LED半导体本身会产生，这样LED的散热就保证了LED的良好工作条件。像几万甚至十几万小时对于大功率LED这样的LED产品光衰都是很低的，而传统白炽灯却没有这个优点。
（7）LED多变颜色：我们可以通过改变电流来改变LED灯的颜色，如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
2.LED在现代装饰照明中的应用现状
2010年是LED装饰照明行业转型的开端年，延用至今已被广大人民群众认可，而曾被广泛使用的白炽灯将会退出市场。
随着LED灯具使用的高效节能效果的突出体现，政府单位将LED装饰灯具用于很多城市夜景工程项目，例如节日庆典、重点街道、广场等。目的是美化城市，增加节庆气氛及城市标志性代表等，具有季节性及不确定性；房地产主要装饰其发展的房产项目，目的提高房地产项目的品味与档次，从而促进房地产的销售；娱乐、餐饮、酒店、大型商场的装饰照明，目的非常明确就是吸引顾客。在这六类主要市场中，政府占据了相当的市场份额，包括部分商业街区也是由政府机构主导建设，但是政府的消费需求存在不确定的因素，是随着季节和节日存在间歇性的。而房地产、娱乐、餐饮业的消费是保障LED照明发展的基础市场，市场份额稳定，而且上升的空间非常大。
从2010年至今的发展年来看，由街道美化逐渐推向城市楼体亮化项目，为城市的创建增添了五彩缤纷的气氛。同时，我们也看到LED装饰照明在城市街道、公园、河岸、湖围等公共场所，酒店、娱乐、商业楼宇、桥梁等建筑物上的应用大都是五颜六色根据各式的动态效果的变来变去，让人眼花缭乱的同时，也造成了百城同景的状况，缺乏对城市或行业个性化特点的表现。今年，最大的发展是LED水幕电影的出现，它为城市的发展及开拓做出了卓越的贡献，更是印证着我们快速发展的今天，也不同于往日的创新。
3.LED在现代装饰照明中的发展趋势
3.1市场增长强劲
市场潜力大低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。技术人员经测量发现，在同样亮度下，LED 的电能消耗仅为白炽灯的 1/10，寿命则是白炽灯的 100 倍。由于 LED 具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。未来几年，国内LED 装饰照明市场将出现进一步的强劲增长。市政建设、公共设施、园林景观、私家装饰、电子产品等各个领域都将越来越多地应用LED装饰照明。
3.2技术进步，价格降低
LED产品技术不断进步，价格逐步降低，具备更强大的竞争力。2010年2月6日，美国LED芯片制造商Cree公司在宣布其白光大功率LED芯片光效突破208lm/W。可以预见，未来LED装饰照明市场上将推出更高效、更廉价的发光芯片，逐渐改善LED照明相比传统照明的价格劣势。
3.3 LED装饰照明更具设计感
2002年之前的中国，几乎没有人知道建筑为什么需要专业照明设计师，亮化工程也没有像今天一样从建筑设计和室内设计中独立出来。而我国在相当长的一段时间内，即没有独立的照明设计公司、也缺乏照明设计师。直到05年左右国内照明项目才起步，照明设计才独立发展起来。然而，近几年真正影响LED装饰照明设计格局的是来自学院、独立照明设计公司和照明工程公司的三股力量，他们在中国庞大的照明版图上独立发展，并形成三大流派共同发展的局面。 我国LED装饰照明产业正在迎来一个高速发展的时代，从政府、企业到私人业主，市场已经开始逐渐重视LED照明，除了节能的考虑，也越来越注重照明效果的设计感和个性化，突出城市和楼宇、建筑等的文化特点。我国很多优秀的设计方案都是由建筑设计、室内装饰和照明设计等不同领域的专家组成团队，发挥各自特长共同完成，推动我国LED装饰照明行业不断提升。
4.LED照明节能的应用
（1）LED 灯的“隐藏”。
LED 光源体积小，结构紧凑，应用灵活。可在狭小空间投光，利于隐藏。常见的有 ：点式隐藏，在天棚嵌入灯槽，装入单个灯具，可根据需要选择多颗LED做成大功率光源。
光带式隐藏，在天棚四周嵌入灯槽，安装 LED 条形射灯，这种灯具利用多颗彩色LED 光源排成一列或两列，再由多个灯具串联，由上往下地照明，形成美丽明亮的光带 ；面式隐藏，建筑里需要照亮的发光面主要有天棚，地板和外墙面，用 LED 灯作光源时，线性发光条安装在支架上或嵌在窗户内沿，创造出一种新的装饰效果。
（2）LED 灯与建筑的“一体化”。
实现建筑与照明的“一体化”也就是要将建筑构件，空间，灯具以及所处的环境协调起来，使之相互渗透，相互促进，利用现代化的科技手段，合理解决各种矛盾。
（3）大面积显示屏，就目前 LED 的造型发展来说，LED 本身的形状多为圓形，其余所呈现的形状皆为圆形排列构成，再加上外包边壳所形成的视觉造型。
（4）LED 与建筑构件的结合，LED 灯具本身具有装饰性，还可以装入透明中空的管线中制成线性发光条或带，嵌装在建筑立面构件外沿需要做夜景装饰的部位装置，将点光源 LED 灯和小的发光盒等发光体和墙面或屋面组合一体。
5.结论
大功率LED芯片 篇3
然而, LED也存在很多缺陷, 这些缺点正制约着LED在汽车照明中的普及。
大功率LED其功率常常在1W、2W、甚至数十瓦, 工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。LED发光时会有部分能量转化为热量, 而大功率LED只能将约30%的输入功率转化为光能, 而将其余的转化为热能, 因此会使LED芯片温度升高, 而温度对LED芯片的工作性能影响极大, 高温会导致芯片出射的光子减少, 从而降低光输出, 还会严重影响荧光粉的特性而引起波长漂移, 使色温质量下降导致颜色不纯, 同时, 它会加快芯片老化, 缩短器件寿命等。因此, 为保证LED正常工作, 必须将其散发出来的热量及时的散发出去。尤其是大功率多芯片模块构成的LED, 热流密度可高达到106W/m2以上, 散热问题更为严峻, 它已成为阻碍大功率LED光源发展的关键难题, 成为大功率LED照明灯具生产厂家的发展瓶颈, 当然, 也制约了它作为汽车照明尤其是前照灯光源的普及应用。因此谁若优先掌握了大功率LED的散热技术, 谁就占有了LED光源市场。
1 国内外研究现状及存在的问题
以往, 日欧美是全球LED白光技术的领导者, 是最先进的照明用LED制造中心, 是首先将LED用作汽车前照灯光源的国家, 台韩紧随其后, 中国相对较落后, 即使是LED最发达的珠三角地区, 也只是全球最大的LED封装基地, 属于下游。但近10年来, 在国家政策的扶持下, 研究机构与企业合作, 使LED技术有了突飞猛进的发展, 基本实现了LED的本土化, 为车用LED的发展奠定了基础。但目前汽车照明还只是用于内部照明 (包括仪表、内部照明灯、电子指示灯等) 和外部照明 (包括刹车灯、尾灯、雾灯、方向灯、侧灯等) 这些, 前照灯这种大功率照明因技术局限成本很高, 应用很少, 自丰田首次将LED应用于一款凌志车前照灯的近光灯照明开始, LED仅在一些高端车中使用, 如Lexus、Audi、Cadillac Escalade等。因此, 要想在汽车大功率照明中普及, 需要研制出能解决上述缺陷的低成本的LED。目前, 有越来越多的公司、技术人员正加大技术研发力度, 以期推动LED在汽车照明市场的普及。如欧司朗、飞利浦等车灯供应商都正在致力于LED用作汽车照明的技术研发。
因单个LED芯片功率有限 (目前单个最大功率为5W左右) , LED照明灯具大都采用多个LED芯片组合形成较大功率的照明结构, 获得理想的照明强度以及照明范围, 因此需要在同一个基板材料上集成多个LED芯片。为实现光强的均匀分布, 需要对各LED芯片的位置进行优化设计。目前生产中, 主要采用导热胶粘接的方式实现多个LED芯片与基板的粘连。该种方法存在的主要问题是导热胶的热阻偏大, 不能很好的将LED芯片所产生的热量及时散发出去, 从而导致以上所提及的一系列热问题, 长时间的热积累还会导致导热胶粘连失效。目前较为先进的工艺方案是采用共晶键合的方法来降低LED芯片与基板间的界面热阻, 解决散热问题。具体方案为采用共晶钎料焊膏将LED芯片进行粘连定位, 然后通过回流焊的方法将多个芯片与基板键合连接。而该种工艺方案的弊端在于, 回流焊过程中焊膏溶化, 贴装在焊膏表面的LED芯片因缺少定位支撑, 液态焊膏表面张力与重力的共同作用使得LED芯片发生不定向偏转或平面移动, 导致各芯片之间的相对位置发生较大的偏差, 从而影响整个LED照明结构的光强分布。目前较先进的是铜-陶瓷复合基板, 它可以实现第一级热沉与陶瓷基板的集成;针对多LED芯片则采用一次键合的方法, 使多个LED芯片能同时与陶瓷基板实现键合, 降低芯片与基板的界面热阻, 有利于芯片热量的散发, 降低芯片工作温度, 提升可靠性;并提高各芯片之间的相对位置精度, 解决因芯片位置偏移导致的色显不均匀的问题。
为提高LED用作大功率照明时的光通量输出, 一般采用将数十个LED串联或串并兼具的方式, 这就要求供给40-60V的电源或200m A的恒流。而交流发电机发出的交流电经整流后由电压调节器控制其输出电压的上下限, 使之维持在9-15V上下, 而且由于汽车电力系统是由机械式发电, 实际电压的波动性会更大, 如6V的冷启动电压, 40V的瞬间电压, 这会影响LED的正常发光, 增加驱动电路这一环节不可避免。
由于LED发出的光呈兰伯特分布, 故需要将发出光经过二次光学设计, 以避免光的严重浪费。目前有一种技术正在成熟, 它采用将非成像光学理论、照明设计软件及计算机编程想结合的方法, 即根据非成像光学中的经典的光学扩展度守恒及边缘成像原理得到透镜的曲面方程, 接着用软件编程计算出自由曲面透镜的离散点, 找到最佳聚光点, 使所传递的能量最大化, 获得符合照明要求的光照度分布。
在所提及的所有问题中, 散热是首要问题。由于半导体制造技术的局限, 输入LED的电功率只有30%左右转换成了光能, 绝大多数则转换成了热能。这些热量若不及时排出, 就会引起LED芯片本身的升温, 从而引起一系列的问题:加速芯片老化, 缩短其使用寿命;导致脱焊, 造成接触不良, 影响工作的稳定性;结温升高, 出光率降低, 光亮度减小;对于如今采用白光实现方案, 将导致波长漂移而引起颜色不纯等等, 如图1所示。
目前主要流派分内部散热与外部散热法二种。
所谓内部散热法, 就是充分利用LED自身结构特点入手进行散热, 如生产工艺、基板材料、封装法等。目前较为先进的工艺方案是采用共晶键合的方法来降低LED芯片与基板间的界面热阻, 解决散热问题;至于LED基板材料, 目前大功率LED封装基板传统封装材料及存在的问题:
(1) 金属芯印制板 (MCPCB) :将导热系数高的金属 (如铝、铜) 装进PCB (印制电路板) 内, 导热系数为1-2.2W/ (m.k) ;
(2) 金属绝缘基板 (IMS) :将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧树脂粘接方式直接与铝、铜板接合, 导热系数为1.12W (m.k) ;
(3) 金属基板 (MB) :采用整块金属作基板, 但限制使用正装结构芯片;
(4) 陶瓷基板 (CS) :常用的是氧化铝基板, 导热系数可达20W (m.k) , 但陶瓷润湿性差, 实现金属化困难。
显然, 主流技术面临着挑战。目前效果较好的是铜-陶瓷材料。
外散热法是指从LED芯片的外部入手进行散热, 如水冷、风冷、金属制冷、半导体制冷等, 但大多处于理论探讨或试验阶段。
2 研究内容
2.1 基板材料及结构
LED散热路径为:芯片→粘接材料→基板→导热硅脂→散热器, 见图2。
由图2可知, 在封装时芯片是焊接在基板上的。
再来比较一下传统封装材料的热膨胀性能, 见表1。
金属和Si的热膨胀系数差别较大, 长期工作在温度较高的环境下, 易出现由热应力引起的热裂纹, 严重影响可靠性
所以, 本课题考虑选用直接覆铜板 (DBC) :即利用铜的含氧共晶将铜敷接到陶瓷上, 导热系数可达24W/ (m.k) 。
2.2 芯片间距 (密度)
考虑到单个LED芯片功率有限 (目前单个最大功率为5W左右) , 如图3所示。LED汽车照明灯具大都采用多个LED芯片组合形成较大功率的照明结构, 以获得理想的照明强度以及照明范围, 因此需要在同一个基板材料上集成多个LED芯片。但是, 需要对各LED芯片的位置进行散热优化设计。
3 最佳方案实验
3.1 采用直接覆铜板 (DBC)
那么, 铜、陶瓷层的厚度各为多少散热效果最好?
这就要从陶瓷 (氧化铝) 和金属 (铜) 的热物理性质入手研究找答案, 如表2所示。
综上, 如图4所示, DBC的铜层厚度适合采用0.3mm, 陶瓷厚度适合采用0.25mm和0.38mm, 从可靠性角度考虑, 由于陶瓷是脆性材料, 因此选用0.38mm。
选用基板形状:上下各是覆铜板, 中间是陶瓷, 如图5所示。
3.2 芯片间距
如图6、图7、图8所示。
选取0.3-0.38-0.3mm的厚度后, 改变芯片间距进行模拟实验, 如表4所示。
实验是在模拟汽车前照灯环境 (相同体积的密封容器内) 下进行的, 芯片数3×3, 外界环境温度16℃。实验结果如图9所示。
可见:在已选出的最佳厚度为0.3-0.38-0.3mm的基板上, 排列的LED多芯片 (9) 之间的最佳散热间距为10mm。
现在再用上述选出的最佳散热参数做实验, 用FLIR T250红外热像仪测量温度, 测得基板的最高温度在59℃左右, 显然这是热平衡时的温度。
4 结论
本课题的初衷就是从LED的基板材料与结构, 芯片的阵列以及芯片间距这几方面入手, 解决LED的散热问题。经过一次次的实验, 终于找到了就目前而已最佳的散热基板材料与厚度:采用直接覆铜板的方法, 即:基板呈铜-陶瓷-铜, 厚度分别为0.3-0.38-0.3mm, 基板上的LED芯片呈阵列排列, 彼此之间的间距为10mm, 这种内部结构形式能最有效地散去LED结温。显然, 实验达到了课题的预期目的。
摘要：发光二极度管作为新一代绿色环保、低碳、节能型固体照明光源, 正越来越广泛地应用到照明领域, 更因其所具有的独特优点, 受到汽车照明市场的青睐。汽车灯具如前照灯功率大, 而大功率LED只有约30%的输入功率转化为光能, 其余的则变成了热能, 使LED芯片温度升高, 而高温对芯片的工作性能影响极大:会导致芯片出射的光子减少, 从而降低光输出;会严重影响荧光粉的特性而引起波长漂移, 使色温质量下降导致颜色不纯;会加快芯片老化, 缩短器件寿命。这个问题制约了发光二极管在汽车照明中的普及。本文从芯片的封装材料 (基板) 及多芯片的排列方式这两个方面入手, 旨在找到最优散热方案。
被动式无耗能大功率LED降温装置 篇4
【摘要】针对现有大功率LED发热量大，所产生的热量不能及时散出而导致的结温过高等问题，将对灯具寿命和发光效率造成严重影响。将温差发电技术应用到大功率LED降温装置的设计中，提出了一款被动式无耗能大功率LED降温装置。通过实验，实验表明：散热装置能无额外耗能的降低灯具工作时的结温温度，在有效提高LED发光效率的同时延长了其使用寿命。本装置可将LED寿命提高近两倍，相对发光效率提高约20%。每盏灯每年可以省46486.4度电。相当于节约标准煤18.59456吨。同时可减少85.71%该类型LED的损耗。
【关键词】降温；LED；被动式；无耗能
1、引言
LED具有功耗低、体积小、可靠性高和响应快等优点，应用范围广泛。数据显示，2007年全球照明市场LED的占有率为2%，2012年提升为11%，再到目前的17.6%，应用前景广阔。
然而，大功率LED70-80%的输入电量均转化为热能，产生的大量热量严重影响灯具使用。当LED的结温温度超过最高临界温度时，会造成LED的永久性失效。现有大功率LED外接散热装置的降温方案主要有：风冷散热、水冷散热、热管散热和热电散热。均使用不便且成本较高。
基于此，我们设计了一种被动式无额外耗能大功率LED降温装置。
2、方案设计
本作品将温差发电技术应用到大功率LED降温装置的设计中，利用半导体实现对大功率LED灯芯热量的快速转移，从而降低其工作时的结温温度，有效提高LED发光效率并较大的延长了其使用寿命。同时，通过对所产生的电能进行处理，使其驱动微型散热器工作，进一步提高热量转移效率且无需额外耗能。另外，装置结构上充分采用可拆分式设计，能够快速完成对装置各个部分的维修和更换。
3、结构设计
装置由可拆分式两半壳体、灯板及其供电适配器、半导体降温模块、无额外耗能风冷散热模块、固紧定位模块五个部分组成。
3.1可拆分式两半壳体
上下壳体之间通过螺栓连接。上壳体中间回字形凹槽实现对灯板的固定，防止意外滑动；通过壳体内侧壁实现对半导体和翅片的水平限位，起到了良好的固定作用，确保灯板、半导体以及翅片之间相对位置保持不变，以保证实验结果的稳定性；在上下壳体侧壁均设有定位孔，通过螺栓实现定位孔与其他各个模块的连接并完成各个模块的固定安装。
3.2灯板及其适配器
综合考虑成本、功率、发热量和应用范围等因素，选择72W的LED投射灯作为实验对象。灯板由24颗3W黄白LED珠排布成矩形。
3.3半导体降温模块
半导体温差发电片迅速将灯板热量导出并与空气进行热交换从而降低灯板温度，并利用灯板所发出的热量产生电能供散热器使用。经实验验证，该装置中半导体冷热两端温差为10℃时，即可实现散热器的自启动并持续工作。四片半导体片通过杜邦线串联，它们之间的相对位置根据实验中达到最佳效果时的位置确定，半导体温差发电片热端和大功率LED的灯板之间涂有一层导热硅脂，具备一定的润滑性和电绝缘性，从而保证电子元器件电气性能的稳定。冷端同样通过导热硅脂实现与翅片的无缝结合，确保热量及时传递至翅片并与空气进行热交換。
3.4无额外耗能风冷散热模块
在实际工作过程中，由于半导体本身与空气进行换热的速率有限，冷热两端的温差不断减小，灯板热量导出速率降低，因此采用翅片加散热器，以加快冷端与空气的换热速度。
3.4.1翅片散热装置。通过散热对比实验。选定80*80*27翅片。
3.4.2风冷散热装置。电能处理部分将半导体模组群所发出的电能进行收集处理，之后供给散热风扇工作。散热风扇加速翅片散热速率，进而加快半导体冷端和空气的换热速率。
3.4.2.1散热风扇。经过理论分析和实验验证后，匹配0.48W的直流低电压启动型散热风扇作为此模块的风冷降温装置，额定电压12V、额定电流 0.12A。实验验证表明，灯板温度基本恒定在70℃。
3.4.2.2电能处理部分。半导体两端形成温差输出电能是低品质电源，且存在剧烈的电压波动，电能处理部分将不稳定的持续变化的电能经过整流稳压之后升压输出稳定且电压值适宜的电能，之后供给微型散热器工作。
3.5固紧定位模块
固紧压杆随着调节螺栓上下移动，伸出端扣压在翅片肋片上，当旋转调节螺栓向下移动时，伸出端将翅片向下压紧；当旋转调节螺栓向上移动时，翅片松开。双定位螺母实现对固紧压杆的轴向限位。另外，固线卡完成对电路部分连线的固定。
4、电路设计
采用微功耗的LTC3105芯片，实现对半导体温差发电片发电能量的收集。温差发电从Vin引脚通入芯片，电能的一小部分储存于电容C1中，用于供芯片工作，其余则经过升压后输出，直接为散热器提供工作所需的电能。采用升压芯片MT3680，将5V电压升高至12V。
5、结束语
该作品装置利用了大功率LED自身产生的热量进行发电，并采用散热风扇为冷端散热，维持灯芯在适宜温度下的动态平衡。除此之外，该作品能适应不同作业环境，操作拆卸方便，增加了其实际的应用前景。
参考文献
[1]邹琳.LED照明灯具寿命影响因素及测试方法的研究[J].大连工业大学，2010（14）：12-18.
[2]刘淑平.基于半导体制冷的太阳能LED系统散热设计[B].电子设计，2008 （1）：9-14.
[3]叶剑锋.半导体温差发电系统研究及电热式试验台设计[D].北京交通大学，2012.
作者简介
LED照明需要本土芯片 篇5
几家来自本土LED芯片企业的肯定了现在正处于LED芯片发展的好时机。杭州士兰微电子公司电源及功率驱动产品线高级产品经理王栋说, 国内LED照明电源产品近两年呈现爆发性的增长, LED驱动芯片也有着非常强劲的增长速度。“相对于国外的驱动芯片, 本土LED照明驱动芯片有市场反应灵敏、更新快, 成本低的特点, 市场上每年都会发现很多有优势的新品, 并且成本降价速度很快, 可以很好地满足市场发展的需求。因此, 本土LED照明驱动芯片占据着国内市场的大半江山。”
相对来看, 国内LED驱动芯片主要涉及非调光的3~60W功率范围的驱动芯片, 国外公司在可控硅调光驱动芯片以及大功率 (大于100W) 的应用中占据主流。
L E D照明驱动芯片逐步呈现出隔离与非隔离产品并分天下的局面, 并且非隔离芯片由于方案成本低、效率高的特点, 上升势头很足。目前, 可控硅调光解决方案、电子变压器MR16解决方案以及无频闪的APFC解决方案是几个技术难点, 有待IC设计公司优化解决。
陕西亚成微电子公司产品应用副总经理杨世红指出, 随着最近几年LED产业在国内的发展, 国内LED驱动电源IC公司取得了很大的发展, 尤其在LED驱动电源的恒流精度、功率因素和节省成本方面做了许多创新, 取得了很大成就。LED在国内的发展趋势有两个方向, 一是高端LED市场, 注重恒流精度、调光、无频闪等;另一个是通用照明市场, 注重L E D灯具的价格和使用寿命等。
上海晶丰明源半导体公司胡黎强总经理指出, 目前国内IC厂商已经完全有能力解决LED照明驱动IC的应用问题, 比如晶丰明源从之前解决市场普遍高压启动需要功率电阻影响效率和线性调整率差的问题, 到现在关注IC的性价比、稳定性和可靠性, 在技术上已经越来越成熟。如果要想向高端市场靠拢, 就必须不断发明新的拓扑架构和设计, 使产品性能全面超过国外一线品牌。
在我们看来, 有这样一些可能的市场发展方向:一个是LED高压化, 高压LED可以大幅度提高AC-DC转换效率, 提高LED灯的每瓦流明数, 减少散热成本;另一个是非隔离的应用会逐渐增多, 这受益于绝缘散热材料的普及和LED灯结构的进步, 非隔离应用也可以大幅度地提高系统效率、减小体积和成本。再有就是阻容降压的方案会逐步被高可靠性低成本的开关电源所替代。
上海灿瑞半导体的照明部产品经理李典侑称, LED的应用领域包括:1.室外景观照明和室内装饰照明;2.大中小L E D显示屏:室内外广告牌、信息显示屏等;3.交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号灯;4.便携照明 (手电筒、头灯) 、阅读照明 (飞机、火车、汽车阅读灯) 、照相机闪光灯、台灯;5.矿灯、防爆灯、应急灯。
目前, LED IC的技术水平不断进步, 主要体现在几个方面:
1.高可靠性、高精度、高效率、高功率因数, 最终体现为高性价比。
2.电源寿命与成本。LED单颗寿命长达5万小时左右, 但在应用时必须搭配驱动电源, 所以LED照明灯具必须从光电整合的角度来考虑寿命。往往电解电容的寿命都是驱动电源的瓶颈, 在实际应用环境仅有几万小时寿命, 但是在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本, 但是市场竞争激烈大部分企业以价格占领市场, 大大牺牲了产品的质量, 从而也导致了产品利润率逐渐下降。就目前国内市场来看, 驱动电源的成本不易超过总成本的1/5。
谈到LED驱动技术发展趋势, 李典侑称:
1.照明的最高境界在于“见光不见灯”, 所以在不影响照明效果的情况下, 电源小型化是一个必然趋势, 那么就意味着LED驱动芯片需要更高的集成化和系统化。
2.LED灯相比传统照明灯具有便于智能控制的优势, 在目前LED光效和光通量有限的情况下, 充分发挥LED色彩多样性的特点, 开发变色和智能LED灯饰的控制电路。
集成化、模块化、智能化的设计, 使方案的易用性、可维护性大幅度提升, 管理、维护成本大幅度降低。
如何提升LED的价值
士兰微电子的王栋经理称, 技术革新与成本控制是每一个IC设计公司获胜的法宝。IC设计公司了解到, L E D照明的应用在逐步推动I C的发展, 每一代IC技术的换代更新也同时在大力推进LED照明的普及。
目前LED照明驱动芯片主要在做替换旧的传统灯具的工作, 比如球泡灯、日光灯、射灯等传统灯具。当市场及用户通过替换工作逐步接受LED照明, 了解到LED灯具的优势时, LED照明可以发挥更大的作用, 比如可以利用LED照明独具的优势, 进行智能调光, 使得客户使用更加方便, 并且还能达到节能的目的。
陕西亚成微电子公司的杨世红副总指出, 国内LED电源驱动IC企业最大的机遇就是国内无限大的通用照明市场, 需要推出突破性的方案, 使LED灯具的成本大幅度下降、使用寿命大幅度提高。而高压线性LED驱动方式是一个很有潜力的方向。
灿瑞半导体的李典侑说, 开发差异化、高性价比、更高集成度的驱动控制IC来引导客户、引导市场健康良性的发展, 树立自己的品牌形象。同时产品的生命周期节奏要跟上, 因为市场变化很快。
上海晶丰明源公司胡黎强总经理认为有几点比较重要, 一个是产品定位要准确, “我们始终和客户坐在一起, 向客户学习, 解决客户的需求并且帮助客户创造价值。我们舍弃了传统AC/DC电源芯片在LED应用中不需要的一些功能, 强化了LED驱动所需要的一些性能, 比如原边反馈恒流技术, 优异的线电压和负载电压调整率, 极简的外围电路和全方位的保护功能等等。”
再一个是持续的技术创新, 根据客户的反馈, 结合市场的发展趋势, 不断研发具有竞争优势的新产品。
再有, 晶丰明源不仅销售芯片, 还提供专业的技术服务, 可以给客户提供一站式的解决方案和全方位的服务。“细节决定成败, 我们始终在想, 在每一个环节上都是否可以做得更好。”
LED照明驱动需要本土芯片
LED资深专家颜重光从技术市场角度进行了阐述, 他指出, 室内LED照明灯具根据LED光源灯珠需要恒流工作的特性, 需要的电源驱动芯片主要是开关恒流源和高压线性恒流源驱动芯片。LED照明初期由于没有适合LED光源灯珠专用的恒流驱动芯片, 曾经大量使用高耗电而不安全的阻容降压电源电路, 和零件多、成本高的“开关稳压电源+恒流电源电路”。阻容降压电路目前已被ERP取缔使用;“开关稳压电源+恒流电源电路”因零件多、成本高和光耦的安全性等问题, 基本已被新一代的电路零件少、成本低的开关恒流源电路所取代。
中国本土的LED照明专用集成电路 (IC) , 即开关恒流源驱动芯片、高压线性恒流源驱动芯片研发几乎与国外公司同时起步, 站在同一起跑线上, 今天不少芯片的技术水平与国外同行相当。最近十年来, 我国IC设计师从欧美日学成和在海外工作多年归来, 掌握了西方的创新思维和设计流程, 中国台胞将世界一流的IC加工技术带至中国大陆流片厂, 使中国的IC技术突飞猛进, 一跃而进入世界先进行列。因此, 中国本土LED照明驱动电源芯片在芯片的创新设计思维、新型拓扑结构上都可媲美国外公司, 中国本土设计的LED驱动电源芯片集成度更高、功能更强大、没有无用冗余, 而在设计人工、流片成本、物流成本等方面都比国外公司经济。
例如, 上海晶丰明源半导体公司专攻室内LED照明驱动电源芯片, 短短四年成为国内外著名的LED驱动电源芯片公司, 2011年的销售额比2010增长6倍, 2012年比2011年增长4倍, 达1.2亿元, 对于一个30人的芯片设计公司来说, 人均生产率是很不错的了。2012年晶丰明源的室内LED驱动芯片出货量达160KK, 已名列同行前茅;日立、松下、飞利浦、GE等LED灯具都已使用晶丰明源的电源芯片。
同样做得好的室内LED照明驱动芯片厂商还有北京的美芯晟、杭州的矽力杰和MPS、深圳的明微电子等。
L E D照明驱动芯片研发应紧跟L E D照明产业的技术发展, 并要有超前创新的思维去设计。当今LED照明光源由低电压 (VF=3.2VDC) 、大电流 (IF=1 5 0~7 0 0 m A) 趋向高电压 (VF=5 0~2 4 0 V D C) 、小电流 (IF=10~60m A) , 由此LED光源板的发热大大减小, 解决了低压LED光源高热难解的瓶颈。因而, 无需变压器和电解电容器的高压线性分段恒流源驱动芯片脱颖而出, 非隔离的高电压、小电流的开关恒流源驱动芯片成为新的需求热点。新的市场机遇, 为本土芯片设计公司创造了新的竞争力、新的价值。
市场对灯具的需求是多样化的, 发达国家需要净化的供电网络, 任何电器的使用都不能对供电网络产生不良的影响, 因而有了对用电器具的功率因数 (PFC) 要求, 带主动功率因数补偿的隔离和非隔离的开关恒流电源芯片也就成了LED驱动电源芯片的热门产品。我国本土IC设计公司竞相开发此类电源驱动芯片, 使得功能集成度高、性能优秀的带主动功率因数补偿的电源驱动芯片真正做到价廉物美、品质稳定可靠。
LED照明正在走向智能化, LED照明系统需要增加能自动采集非电量信号并转换成电信号的MEMS传感器、智能信号处理的MCU、自动控制的电子开关、控制信号的远距离发送接收等等智能化功能, 这就产生了跨学科的电子技术的交叉, 电源驱动的IC技术需要与MCU、MEMS等技术的融合创新。将RGB颜色传感器与智能信号处理的MCU集成在一个封装里的产品已经上市, 并被智能照明系统大量使用;红外传感器与控制电源集成在一个封装的产品也在开发中。
本土芯片公司利用芯片创新设计的技术优势, 利用贴近世界LED照明灯具海量生产基地的优势, 利用中国设计人才的优势, 利用中国集成电路生产价格的优势, 利用中国物联网的优势, 可以预见LED照明灯具的全盘中国化是一定指日可待的。中国芯片设计公司将大有作为!
部分本土公司的产品与技术
士兰微电子是一家IDM (集成器件制造商) , 不仅仅有LED驱动电路, 还有配套的MOS管、肖特基等外围器件。
公司从2006年就开始投入LED照明驱动IC的研发, 先后申请了几十项专利, 并且研发出几大系列产品:DC/DC LED驱动电路SD42527, 采用60V高性能BCD工艺;隔离+APFC驱动电路SD680X系列, 系统功率因数大于0.90;非隔离+APFC电路SD690X系列, 全电压工作范围, 系统功率因数大于0.90, IC恒流精度±3%, 线性及负载调整率±2%以内, 其中SD6904S是业界唯一一款用贴片SOP封装就可以做到全电压18W的产品;PSR原边控制隔离电路SD660X系列, 性能佳, 低成本;非隔离无频闪SD670X系列, 恒流精度±3%, 线性及负载调整率好。
亚成微电子有隔离方案的驱动IC, 如:RM326x、RM337x;非隔离方案的驱动IC有RM9010和RM9018;最近又推出了高压线性L E D驱动I C系列——R M 9 0 0 0、R M 9 0 0 1、RM9002。
RM9000芯片是外置MOS的驱动三段LED串的高压线性LED驱动芯片, 主要应用在大功率LED照明领域, 例如LED路灯、LED隧道灯、LED投光灯等。采用RM9000的80瓦路灯方案, 不需要电解电容器和电感元件, LED的效率在90%以上, 功率因数在0.95以上, 驱动方案的BOM成本在10元左右。
R M 9 0 0 1芯片是集成7 0 0伏高压MOS的驱动三段LED串的高压线性LED驱动IC, 适用于小功率的球泡灯, 驱动方案的BOM成本在2元以下。
R M 9 0 0 2芯片是集成7 0 0伏高压M O S的驱动单段L E D串的高压线性LED驱动IC, 适用于低成本的LED灯管。
晶丰明源今年推出了的新产品有不少创新点, 比如, BP2325系列使用单绕组电感实现了APFC功能, 是业界第一款此功能产品。BP2831系列是业界首创的在降压拓扑上用单绕组实现过压保护功能。BP3132系列则是在隔离结构上省去了辅助绕组, 并且实现了可调节的过压保护功能。还有在今年的新产品里全部集成了专利的温度调节功能, 能在全面保证产品可靠性的前提下, 保证产品输出最大功率。
灿瑞半导体具有专业的研发队伍、创新能力, 凭借在电子行业多年的开发与应用经验, 及时优化产品, 紧跟行业先进技术发展的步伐。近期推出的新产品有:1.OCP8153内置高压MOS-2A/650V, 主要应用于8~12W的LED筒灯、PAR灯, 具有比同类产品更高的效率与高性价比。2.OCP8155内置高压MOS-4A/650V, 主要应用于12~24W的LED筒灯、吸顶灯, 极低的系统成本成就高性价比方案。
参考文献
[1]王莹.LED照明将开启智能化时代.电子产品世界, 2013 (6) :15
[2]颜重光.大众LED照明新技术发展趋势.电子产品世界, 2013 (6) :21
[3]王莹.LED照明开始起飞.电子产品世界, 2012 (6) :11~14
[4]颜重光.2011年度LED照明行业的回顾与前瞻.电子产品世界, 2012 (2) :33
新型白光LED驱动芯片设计 篇6
目前,白光LED是市场上最常采用、最好的背光选择,它能使显示屏色彩更逼真、色度更饱和,并且电路简单、占印制板体积小、耗电少、价格较便宜。在绝大多数应用中,单个白光LED是不够的,需要同时对几个LED进行驱动[1]。用白光LED为显示屏做背光源时,需要对其进行恒流驱动,避免驱动电流超出额定值,影响其可靠性,满足预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性[2]。
1 驱动芯片的电路结构及各主要电路
1.1 驱动芯片的电路结构
这种新型白光LED驱动芯片的整体结构如图一所示。
1.2 主要功能模块设计与仿真
1.2.1 新型电荷泵电路
为了减小电路中主要PMOS管的衬片效应和阈值损耗,电路中对远离VDD的PMOS采用了特殊的衬底接法如图二所示。
一个完整的工作过程分为两个阶段,分别用A、B表示。
(1)A为充电阶段此时模拟开关S1、S3、S4、S6断开,S2、S5、S7闭合时,输入电压VI N对泵电容C1、C2充电。C2正端到C1负端的平均电压差为:VC1+VC2=VI N-IA(RS2+RS5+RS7)。
其中IA为泵电容C1、C2的平均充电电流。
(2)B为传输阶段此时S2、S5、S7断开,S1、S3、S4、S6闭合,泵电容C1、C2存储的电荷开始对输出端电容COUT放电。此时,COUT两端平均电压差为:VOUT=1.5VI N-0.5[IB(RS1+RS6)-IB(RS4+RS3)
其中,设IB为流过泵电容C1、C2的平均放电电流。
S1至S7开关管周期性地在阶段A、B之间转换,从而使能量不断地从电源通过泵电容C1、C2和输出电容COUT传输给负载。如果想保持输出电压VOUT稳定,就必须使COUT储能不变,即保持COUT存储电荷QC不变[3]。所以有公式:
(1)式中RS的变化主要由线性调节功率管M7来实现。M7管的栅极控信号S7不同于其他六个PMOS功率管的栅控信号。其他六个PMOS功率管的栅控信号在1.5倍模式是高低电平方波振荡信号(来自时钟控制模块),而NMOS功率管M7的栅极控信号S7是模拟信号(来自误差放大器模块)。
电荷泵电路工作在1.5倍工作模式下的仿真结果如图三所示。
从图三中可以看出,电荷泵电路的输出文波小于10m V,满足芯片设计要求。
1.2.2 过温保护模块
过温保护电路的功能是当系统的工作环境温度过高或功耗过大时而引起管芯温度超过160℃时,过温保护电路输出控制信号VOUT为高电平,从而使能信号EN变为高电平,关断芯片工作。过温保护模块的电路原理图如图四所示。
通过仿真,过温保护模块网表的仿真输出输出波形如图五所示。
由上面图五可以看出,该模块较好的符合了设计要求。在图5仿真曲线中,电路由于热量的积累,而使得整体电路的温度上升。由电路中可以得到,随着工作温度的升高,PN结电压即D点电压VD越来越小,而电阻上的电压即E点电压VE越来越大,当VE>VD时,迟滞比较器输出发生翻转,使能控制信号VOTP输出为高电平关断芯片的输出[4]。
2 白光LED驱动芯片的版图设计
3 结束语
此次芯片设计采用了GSMC 0.18u M工艺,通过CADENCE设计工具完成芯片电路设计、仿真及版图设计。过温保护模块的热关断阈值150℃,温度超过150℃时关断芯片,实施保护。电荷泵工作在1.5倍模式下的输出文波小于10m V,仿真结果表明,各项设计满足芯片设计要求。
参考文献
[1]方佩敏.白色LED驱动器的发展概况[J].今日电子,2005,10(09).
[2]叶钟灵.第四代光源—白色LED[J].电子产品世界,2007,(01).
[3]陈碧,罗岚,周帅林.一种低温漂CMOS带隙基准电压源的设计[J].电子器件,2004,(01).
大功率LED芯片 篇7
关键词：单片机系统,MAX7219,LED
在传统的显示数码管LED驱动电路中,如果显示信息量较大时,电路变得复杂而且也会占用很多系统资源;如以动态循环扫描方式来驱动LED,更需要占用大量的单片机运算时间,使得单片机有限的软件资源更加匮乏。MAX7219芯片的推出则改变了这种状况。
MAX7219是MAXIM公司的7段共阴极LED数码管驱动器,每一片MAX7219最多可驱动8位LED,且集BCD码译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动电路于一体,内含8×8位双口静态SRAM,可保存8位LED数据,不仅使用方便,连线简单,而且还可串联,大大简化了硬件电路设计,减少软件的工作量。该芯片以三线串行接口与单片机连接,其接口的传输速率可达10 MHz,有独立的发光二极管段控制,译码与非译码两种显示方式可选,数字、模拟两种亮度控制方式,可以级联使用,采用1片MAX7219便可完成8位数码管的显示驱动任务。
1 MAX7219的原理
DIN为串行数据输入端,当CLK为上升沿时,数据载入16位内部移位寄存器;CLK为串行时钟输入端,最大工作频率为10MHz;MAX7219的三线串行接口,命令与数据组成16位字串,从DOUT引脚输出,当每一个CLK脉冲上升沿到来时,串行数据从DIN引脚进入MAX7219内部移位寄存器,最先收到的是高位。在第16个CLK上升沿,LOAD引脚若变为高电平,则数据就会被锁存到内部寄存器中,再过半个脉冲,数据在CLK下降沿从DOUT引脚输出。LOAD为片选端,当LOAD为低电平时,该器件接收来自DIN的数据,接收完毕,LOAD返回高电平时,接收的数据将锁定;DIG0～DIG7为吸收显示器共阴极电流的位驱动线,其最大值可达500mA,在关闭状态时,输出+V;SEGA～SEGG和DP为驱动显示器7段及小数点的输出电流,约40mA,可软件调整,关闭状态时,接入GND;DOUT为串行数据输出端,通常可直接接入下一片MAX7219的DIN端,使多片MAX7219级联,以便驱动更多的LED。
MAX7219有14个可寻址命令寄存器,其中8个是位驱动寄存器,6个是状态寄存器,它提供了段选码和BCD解码两种方式。当解码方式的寄存器数据位都设为1时,为BCD解码方式;当其都设为0时,为段选码方式。工作在解码方式时,LED可显示数字0～9及“-”,“E,F,H,L,P”等字符和空显示。写寄存器时,只要在对应数据位的低4位写入“0H”～“FH”即可,与数据位的高4位无关。按数据位的最高位设定小数点状态,则置1点亮小数点,否则为0。段选码方式是通过将数码管对应数据位写“1”来使该段点亮的。
MAX7219还有6个状态寄存器。通过亮度寄存器控制LED的亮度,该软件亮度控制可替代硬件限流亮度控制。扫描限制寄存器用于控制扫描频率。停机寄存器控制MAX7219的工作状态,当该寄存器的数据格式为“×0”时,进入关闭状态,但可接受测试控制寄存器控制;当该寄存器的数据格式为“×1”时,进入正常工作状态。若显示测试寄存器为“×0”时,则显示驱动器进入正常工作状态;若显示测试寄存器为“×1”时,则显示驱动器进入测试状态。此时,LED应处于全亮状态。空操作寄存器用于MAX7219串联时只改变MAX7219驱动的某个LED,但不改变其他显示区。。MAX7219初始化和LED显示时,在对MAX7219的每一个寄存器传送数值时,都要调用一次显示子程序,因此应及时使SPI的复位位清零,以保证新的发送正常。当每一次寄存器接收数值后,都要取消MAX7219片选,以锁存接收到的数值。
2 MAX7219在单片机系统的应用
MAX7219与单片机系统的硬件连接如图1所示,其C语言参考程序代码如下:
以上程序是操作1片MAX7219芯片的程序,如级联更多芯片,则在向n片MAX7219传输数据时,需要时钟的个数由最后一个器件的序号确定,即n×16;在传输数据时,可向n片MAX7219或其中某几片MAX7219的某一存储单元传输数据,也可单独给某一MAX7219的某一存储单元传输数据,传输数据的顺序是最后一个器件的数据在前,其余依序类推。
3 结论
MAX7219是高性能的LED显示驱动器,它的主要特点是占用CPU的I/O口线少(3根),可以把几块MAX7219连起来使用(最多8块),它占用的I/O口线还是不变(3根),这对于那些要求占用的I/O口线少,LED显示位数多的显示设计中特别适用。
参考文献
[1]刘汉民.LED显示驱动器MAX7219的单片机接口技术及编程[J].仪表技术与传感器,2002(4).
众厂商谈LED照明芯片的技术趋势 篇8
凌力尔特公司电源产品部产品市场总监Tony Armstrong称, 随着LED的进一步发展, 其效用或从电源产生光输出的能力只会继续提高。其次, 我们是一个关注环保的世界, 而LED照明不需要处理、暴露和弃置于冷阴极荧光灯 (CCFL) 中常见的有毒水银蒸气。最后, 白炽灯泡在使用约1, 000小时以后, 常常需要更换, 而荧光灯可以持续使用长达1万小时。不过, 与LED照明可提供超过10万小时的寿命相比, 这些数字就相形见绌了。
散热、可靠性和安规需要重点考虑
德州仪器 (TI) 业务拓展经理韩乾全分析道, 众所周知, LED驱动模块工作环境温度较高, 且模块散热条件较差, 从而导致LED驱动电路一直在较高温度下工作, 这会导致LED应用可靠性降低、使用寿命缩短等一系列问题, 因此散热不得不重点考虑;可靠性和安规是很容易被有意忽略的部分, 尤其是在强制执行相关规定前, 为了降低成本, 部分LED照明厂商会省略可靠性和安规方面电路;但这恰恰是LED照明产业能否长久发展的根本, 也是LED驱动芯片厂商设计能力的体现, 不同的芯片厂商提供的方案, 增加这部分电路增加的成本差别很大.
台湾的聚积科技股份有限公司产品总监俞仲威称, 我们注意到标准化成形的趋势, 如美国能源之星及日本PSE规范。此外, 调光功能越来越受重视, 例如传统的可控硅调光, 1～10V调光, 以及DALI调光。最后, 就是针对解决散热问题所衍生出对驱动方案的要求, 除了成本的考虑, 更轻量化的要求, 同时也必须兼顾更好的电气特性 (效率、功率因数、电磁干扰、输出纹波等) 。
LED需要丰富的电源转换与驱动方案
安森美半导体照明市场技术行销经理林志彦称, LED本质上是低压器件, 根据色彩及电流的不同, 其正向压降可能在2～4.5 V之间变化, 而且LED需要以恒流来驱动, 从而确保提供所要求的发光强度和色彩。与此同时, LED应用多种多样, 需要采用不同的电源来供电, 如高压AC-DC、中等电压DC-DC以及低压DC-DC等。
这就要求根据具体应用要求, 采用适合的电源转换及LED驱动方案来驱动LED, 如开关型驱动器、线性驱动器、线性恒流稳流器 (CCR) , 以及高压开关电源方案、功率因数校正 (PFC) 控制器, 甚至是新颖的照明管理集成电路 (LMIC) , 以配合具体应用需求, 提供高能效及高可靠性, 帮助发挥LED的长寿命优势。
聚积科技也认为市场已不盲目追求“一次满足”的方案, 而是了解到各项特性之间存在着冲突, 比如传统单级输出架构下, 功率因数与输出纹波无法同时优化而必须做出妥协。因此, 聚积科技的策略是针对客户不同需求提出不同的解决方案。以架构而言, 在市场近年来片面倾向隔离式方案时, 聚积认为不能忽略非隔离式架构在特定应用上无可取代的优势, 因此仍持续开发出多样性的产品。目前除了主动功率因数校正产品、可控硅调光及四段调光产品已顺利服役外, 聚积也积极地朝向更高性价比的方案努力。
离线式电源驱动促进应用
凌力尔特公司电源产品部产品市场总监Tony Armstrong称, 特别是在驱动HB (高亮度) LED的场合, 通过运用一种满足输入电压范围以及所需输出电压和电流要求的转换拓扑结构, 凌力尔特的LED驱动器IC能够提供适合诸多不同类型LED配置的足够电流和电压。
具体来看, 仅用离线式电源驱动LED就可使应用呈指数性地飞速增长, 因为不管是商用建筑还是居民住宅中, 这种形式的电源都可以非常便利地得到。虽然LED灯的更换附属装置相对简单, 最终用户很容易安装, 但是对LED驱动器IC的新要求却极大地提高了。由于LED需要一个良好调节的恒定电流源以提供恒定的光输出, 所以用AC输入电源为L E D供电需要采取一些特殊的设计方法, 要满足一些非常特别的设计需求。为此, 凌力尔特近期推出了一款创新的离线式单级有源功率因数校正 (PFC) 隔离型反激式LED控制器, 即LT3799。
兼容性和集成控制成亮点
M a r v e l l绿色能源部营销总监Lance Zheng指出, 2011年, 整个照明市场的增长超过了40%, 2012年成为LED市场起飞的关键年。兼容性和集成控制将成为技术发展的两大亮点。
首先是兼容性, 现有的照明架构基于传统的照明技术, 比如白炽灯技术。由于空间受限, 如要替换这些灯泡和配置, LED灯需要采用相同规格的灯泡, 以便和照明控制设备 (例如已经配置的TRIAC调光器) 相匹配。为了应对这个问题, 灯泡内的驱动电路板面积就需要减小, 同时要与各种调光器兼容。
其二是集成控制功能。通过很低的成本, 为LED驱动电路增加无线控制技术即可带来全新特性, 例如色温调节、模式照明、场景控制等。这些很酷的特性基于LED技术, 有助于增加用户对LED照明技术的接受度。
感知照明时代即将来临
奥地利微电子传感驱动照明部门总监Sajol Ghoshal指出, 推动LED照明技术不断向前发展的主要因素是法规。目前, 建造新的电厂已经变得非常昂贵, 因此未来十年里, 世界各地的政府都在寻求显著降低能源消耗的良方。一栋建筑物中, 相当高比例的能源消耗来自于照明。因此, 强制降低能源消耗的新法规将影响照明系统的设计和安装应用。欧盟正在计划逐步淘汰低效的灯泡, 也已经针对商业照明制定条例规定。
从历史上来看, 照明是一个粗糙控制的电负载, 用一个简单的开关手动控制, 可以进一步精细化控制。例如美国加州议会法案32法规, 要求建筑物到2018年减少一半的能源消耗。其他建筑法规, 例如加州Title 24对此甚至提出了更具体的要求, 诸如要求通过窗户和天窗实施日光捕捉以降低能耗, 以及要求建筑物配备自动照明控制系统。目前, 低成本的被动式红外线探测器已很少用于房间内。通过建筑系统控制照明能大大降低能源消耗, 为用户带来高度优化的照明从而提高舒适度体验, 从这方面来看, 显然还有很长一段路要走。
因此, 利用LED电源及灵活的优势, 在下一代照明系统中实现照明控制将是主要趋势。该方案可以使照明系统能根据环境变化调整LED自身的亮度和色彩以配合环境需求, 例如当房间内有足够的日光或房间长时间无人时, 该方法就可自动地减少大量能耗。
智能调光方案
NXP半导体也是智能调光的积极推动者。其大中华区照明产品市场经理张伟超介绍道, 对于LED照明驱动器厂商, 设计的方案需要更大限度地提升性能, 包括PFC、THD、效率、输出恒流精度等关键性能, 同时减少电路板空间需求, 降低设计复杂性和系统成本。同时, 随着LED住宅和商业照明应用的发展, 调光的需求增大, 但白炽灯用到的可控硅调光仍然会存在, 所以驱动IC的架构设计中需要面对更广泛的调光兼容性问题。
同时未来照明方案趋向于更智能的调光, 考虑节能的因素, 在照明领域最大的突破是改进照明的应用模式, 即智能化, 无线照明控制, 或者“智能照明”。智能照明标志着我们与光的关系发生了根本的变化——无论在家、办公室, 甚至室外。用一个安全、小型、低成本的方案, 将无线IP与高能效照明技术联系在一起, 可以转换我们的设计、控制和管理照明的方式。对于有IP地址的每个灯泡, 这个完整的硬件/软件方案可以实现IP间的连接, 这样就可以建立一个通过如智能手机、平板电脑和个人电脑等很容易控制的先进的照明系统。
图1中的智能照明网络, 包括了灯、开关、传感器、远程控制, 以及可选的通过智能手机、平板电脑和个人电脑的网管实现的IP控制方式。这些灯可以通过基于6LoWPAN的JenNetIP堆栈协议实现网络IP控制。
相比传统控制方案更优越的是, JenNet-IP SW堆栈允许系统通过智能手机、平板电脑和个人电脑来控制。这些功能可以通过低成本的网关实现, 既可以通过互联网也可以通过局域网 (LAN) 来控制。芯片iCFL或iSSL的方案适用于从家庭用户到具有管理系统的专业用户。
摘要：多家LED照明芯片厂商从不同角度介绍了LED照明芯片的发展趋势
关键词：LED,照明,技术,智能,调光
参考文献
[1]LED驱动器IC的发展趋势——来自LED驱动器供应商的访问.电子产品世界, 2010 (4) :9
[2]Patterson J.LED热管理:一个散热器足够吗.电子产品世界, 2011 (4) :19
[3]王平.基于DSC太阳能LED照明控制驱动系统.电子产品世界, 2010 (4)
[4]颜重光2011年度LED照明行业的回顾与前瞻电子产品世界, 2012 (2) :33
白光功率LED应用简述 篇9
国内LED产业发展情况
我国对包括LED研究与制造的光电子产业发展十分重视，从“六五”期间，就给予大力支持；1987年正式将光电子列入“863”计划；同时国家自然科学基金会也安排了关于LED研究的相关学科的工作；信息产业部在技术、资金等方面都对LED的研制工作给予大力支持；全国多家研究机构及一些大公司都在LED芯片应用研究上取得了显著的成绩，现在我国已形成了LED领域产、学、研相结合的开发模式。2003年6月17日，我国成立了国家半导体照明工程协调小组，科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方单位，启动半导体照明工程。国家半导体照明工程协调领导小组的成立，对促进我国白光LED及高亮度LED的发展有着重大意义。
我国是世界LED主要的生产基地和消费市场，仅2003年，LED产量就达200亿只，与2002年相比，增长25%，其中包括高亮度LED近50亿只，销售额130亿元。其中LED显示屏销售额为30亿元，同比增长了38%。
国际LED产业发展情况
当今全球从事LED产品开发研制的公司达190余家，大学和科研机构近300所。这些大公司企业掌握LED制作整体流程（包括从外延、芯片、封装、白光发射、技术应用）。最近，大量世界级照明公司和光电子公司纷纷合作，组建新的研究型企业：如欧司朗（Osram）公司和西门子（Siemens）光电子事业部合资组建的Osram光电子公司、飞利浦（Philips）照明公司与惠普（HP）公司共同组建的Lumileds Lighting公司等，这些巨头的合作，无不证明了以LED开发应用为主体的光电子事业具有广阔的前景。
欧盟在1996年提出“绿色照明革命”，并迅速被其他国家广为接受。2000年7月，欧盟又提出了“彩虹计划”。这项由政府资金支持的计划，旨在推进白光LED的应用；美国也依托15所大学雄厚的研究力量，耗资5亿美元开展“国家半导体照明研究计划”，主要研究课题为降低LED生产成本和提高LED转换率，以提高其实用性；日本目前也正在开展的LED代替白炽灯项目（又称“照亮日本”工程），计划在近5年中投资50亿日元，将公共场所50%的传统灯具（包括白炽灯、荧光灯等）以LED代替，计划实施后，预计每年节省60亿升原油，相当于5座1.35×106kw规模核电站一年的发电总量。
北京工业大学在LED灯具应用方面的研究
北京工业大学北京市光电子研究室在LED应用领域通过科学研究和成果转化，为高新技术产业的迅速发展做出了积极的贡献。其自主开发研制的LED路灯现已应用于校内环境照明，进一步改进后，将投入批量生产，由科研成果转化为产品。
该LED路灯实物为空圆柱体截面形，其截面所对应圆心角为120°，圆柱体高45cm；因其位于距地面10m的位置，路灯壁厚可忽略不计。路灯内共均匀安置12个白光LED光源（每排4个，共3排），每两个LED光源平均间距为7.5cm。此LED灯具实物如图所示。
由于该LED路灯在设计过程中已很好地解决了散热问题，并显著提高了LED路灯发光均匀度，故具有很强的实用价值。现在北工大银杏路上安装了28盏，使用了近一年的时间，效果良好。
在今后研究过程中，研究室将应用绘图软件辅助绘制灯具模型、DirextX模拟灯具发光效果的方法，快速、高效、准确地模拟LED产品的照明效果，以辅助其设计过程的改进。
（作者单位为：北京工业大学光电子技术实验室）
LED芯片封装用有机硅橡胶的配方 篇10
针对上述需求, 该发明提供了一种LED芯片封装用有机硅橡胶的配方, 该配方原料来源丰富, 制备工艺简便, 制得的有机硅橡胶强度高、韧性好, 具有良好的透光率和抗冷热冲击性能, 有效提高了LED的使用寿命。该配方主要成分包括:乙烯基硅油、甲基含氢硅油、铂催化剂、催化抑制剂和功能性填料, 其百分含量配比如下:乙烯基硅45%～85%、甲基含氢硅油35%～65%、铂催化剂0.3%～0.7%、催化抑制剂0.2%～0.45%和功能性填料1.2%～1.8%。
在本发明一较佳实施例中, 所述的百分含量配比如下:乙烯基硅油55%～75%、甲基含氢硅油40%～55%、铂催化剂0.35%～0.6%、催化抑制剂0.25%～0.40%和功能性填料1.4%～1.6%;催化抑制剂主要成分为含N、S、P的有机化合物。催化抑制主要作用是限制硫化过程中铂催化剂的活性。功能性填料可加速硫化进程并防止硫化产物发粘, 功能性填料主要包括导热填料、热稳定剂、阻燃剂等。
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