大功率照明綜合設計技術

大功率照明綜合設計技術王憶五邑大學12LEDlightingsystemLED背光模組PartI：OutlookHowdotheywork?LEDbasics

OverviewandprofessionalterminologyComparisonbetweenLEDsandconventionalLightsources-SemiconductorLuminaireDevelopmentOpticalSystemElectricalSystemThermalSystemEvaluationofLuminairesystemLEDTechnologyOverviewJoeJablonskiMay5,2009BasicStructureandFunctionofanLEDWhatisanLED?CavityMoldPackageDevelopment3.4x3.3x1.9mmAdvancedPowerTOPLED?TOPLED?3.5x2.8x1.9mmPowerTOPLED?3.5x2.8x1.9mm11.0x6.0x1.8mmGoldenDRAGON?3.0x3.0

2.8mmOSLONHighPowerLEDPackages–GeneralLightingDimensions:lengthxwidthxheight11.0x6.7x4.2mmDiamond

DRAGON?AdvancedPowerTOPLED?

PlusGoldenDRAGONPlus?11.0x6.0x1.8mm3.4x3.2x2.27mmInGaAlP(IndiumGalliumAluminumPhosphide)Red,amber,orange,yellowInGaN(IndiumGalliumNitride)Green,blue,deepblueIII-VChipMaterialSystemYellowOrangeRedOrangeRedY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Org.Red(InGaAlP)617nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nmBlueGreenB=Blue(InGaN)470nmV=VerdeGreen505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(InGaAlP)560nmG=Green(InGaAlP)570nmB=Blue(GaN)466nmWhiteW=White(GaN)(x=0.32/y=0.31)W=White(InGaN)(x=0.32/y=0.31)InGaAlPInGaN/GaNColorsofLightEmittedfromLEDChipsHowDoesLEDGenerateWhiteLight?White

=

Red+

Green+BlueTri-ColorColorimetryRed/Green/Blue–primarycolorsWhite–mixtureof3primarycolorsEmissionWavelength400500600700nmBlueChip+1Phosphor400500600700nmUV-Chip++3Phosphors400500600700nmRGB-Chips++400500600700nmBlueChip+YellowChipWhiteLEDApproachesRelativeSpectralPower(%)Wavelength(nm)InGaNLEDYAGPhosphorWavelength(nm)SpectrumofWhiteLEDsPhosphorsBlueInGaNchip+Phosphor=WhiteLEDSingle-ChipWhite,LWW5AMCorrelatedColorTemperature(CCT)

CorrelatedColorTemperature(CCT)–isusedasamethodofquantifyingvaryingshadesofwhitelightandiscorrelatedtothePlanckianLocus(orBlackBodycurve)LED’sandConventionalLightSources

TypesofLightingFixturesINDOORResidentialCommercial/IndustrialHospitalityOUTDOORResidentialCommercial/IndustrialSystemwithLampsLamp+PowerSupply+LuminaireSystemwithLEDsLEDLightingSystemIntegrationLED+Optics+BoardAssembly+Heatsink+PowerSupply+LuminaireLEDvs.OtherLightSourcesIncandescentHalogenFluorescentMetalHalideWhiteLEDEfficacy

(Im/W)7-2015-2050-10080-11070-110Lifetime(hrs)750–

2,0002,000–4,0009,000–20,0005,000–20,00050,000+CCT

(K)2,500–

3,0002,800–3,1502,700–7,5004,0002,700–10,000CRI9510070-857070-85LEDPerformance

(dependingonCCT)LEDSystemEfficiency-10%-15%-20%75-100lpwSystemefficiency:55-60%[lm/W]TargetLuminaireEfficiency35lm/WOptical,Electrical,andThermalsystemsLEDSystemOpticalSolutionsLEDComponentThermalSolutionsElectronicSolutionsLEDIntensityPatternsofHighPowerSMTLEDswithPrimaryIntegratedOpticsViewingAngle(120x80°)ViewingAngle(50%Iv)+/-80.5(170)ViewingAngle(50%Iv)+/-45°(90°)

ViewingAngle(50%Iv)+/-60°(120°)

SecondaryLEDOpticsDriversandLEDBallastsICdrivermanufacturerDriverICsprovideaconstantcurrentsupplytoandelectricalcontroloftheLED.DrivercircuitsupplierElectricalControlGear(ECG)offersplug&playsolutionstodrivethelightingsystem.IntegratedCircuit(IC)orBallastLEDlightsourcesystemThermalSolutionsThermalSystemConfigurationThermalResistorNetwork

ManagingtheLEDThermalSystemConfigurationAluminiumPlateSolderDielectricSolderPadsHeatSinkDieBondWireMoldingCompoundDieAttachLeadsTJunctionTSolderPointTBoardTAmbientRthSBRthBARthJSCOMPONENTSUBSTRATETECHNOLOGYCOOLING

SYSTEMSubstratesSubstratematerialsThermalsubstratematerials(e.g.metalcorePCB)provideprimaryheatspreading,heattransfertotheheatsink,electricalconnectiontothedriver,andmechanicalmounting.FR4boardFlexibleCircuitMetalCorePCBInterfaceMaterialsInterfacematerialsThermalinterfacematerials(e.g.filmorthermalgrease)improveheatdissipationandelectricalisolation.HeatsinksHeatsinkengineering&manufacturingHeatsinksdissipateheattotheambientenvironment.WhyisthermaldesignimportantforLEDs?Goal1–ToensureLED’sreliableoperationwithnocatastrophicfailure.BypreventingLEDsfromexceedingthemaximumpermissiblejunctiontemperaturerepeatedlywithintherequiredambienttemperaturerange.Goal2–ToensureLED’slifetimewithnosignificantearlydegradation.BypreventingLEDsfrombeingover-drivenwithintherequiredambienttemperaturerange.Goal3–TooptimizeLED’sopticalperformance.BydrivingtheLEDsatthemaximumpossiblecurrentwithintherequiredambienttemperaturerange.(minimumthermaldegradation)GoodthermaldesignminimizesLEDJunctionTemperatureTjtomaximizeLED’s“useable”lightoutput.LEDLifetimeInfluencingfactorsonreliabilityLEDReliabilityhumiditytemperaturechemicalscurrentandvoltagemechanicalforceslightLEDLifetimebasedonLumenMaintenanceL70/B50:Lifetime(Lamp)-thelifeofalampisthenumberofhoursforapproximately50%ofalargegroupoflampsofthesamekindtofail.Failureimpliesthatthelampwillnolongerlight.Atthattimethesourcecanbelowerthan50%ofinitialLumenoutputdependingonthesourcetype.LumenDepreciation(orLumenMaintenance)–Thelamp’sprocessof“aging”resultsinalampemitting70%orlessofitsinitiallumenswhenitreachesratedlife.LEDLifetimeisbasedonthisdefinition.Source:NorthAmericanEnergyGroup(website)LumenMaintenanceLEDExampleLEDApplicationsGeneralIlluminationSolidStateLightingistheSolutionTodayEfficientTechnologyDirectionallightsource

(minimalcollectionlosses)Highefficiency,lowerwattageLowvoltageGreaterDesignFlexibilityCompactsize(fixturedesignflexibility)DynamiccolortuningInstantonanddimmableNoInfraredandUVemissionWiderangeofCCT&CRIoptionsReliabilityLonglifetimeof50k+hoursLowerlifecyclecostsReducedmaintenancecostsRobust(temperature,shock)EnvironmentalFriendlyNomercury(reduceddisposalcosts)ReducedfossilfuelconsumptionandcarbonemissionsPart

II：LED背光模組臺灣光電所平面顯示器期末報告Outlook背光模組LED背光模組光源LED背光模組的光色的改進LED光源的應用平面顯示器期末報告背光模組背光模組(Backlightmodule)：液晶顯示器面板(LCDpanel)的關鍵組件之一。液晶本身不發(fā)光，光源的顯示完全通過背光模組來提供，要保證足夠的亮度和分布均勻的背光背光模組的基本原理是將常用的點或線型光源，通過簡潔有效的光結構轉化而形成高亮度、光分布均勻的背光，提供給顯示界面。早期的顯示器背光大多采用冷陰極管進過反射罩進入導光板，然后轉化成均勻分布的面光源，再經過擴散片的均光作用和棱鏡片的集光作用來提高光源的亮度和均勻度。背光模組背光模組的主要光學元件光源(Lightsource)冷陰極熒光管(CCFL:Coldcathodefluorescentlamp)熱陰極熒光管發(fā)光二極管(LED:Lightemittingdiode)電致發(fā)光片(EL)導光板(Lightguideplate)引導光線方向，提高面板的亮度和均勻度，利用疏密、大小不同的微結構圖案設計可使導光板均勻發(fā)光。反射板(Reflector)將漏出的光反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。擴散板(Diffuser)提供給液晶顯示器一個均勻的光源。

增亮膜(BEF棱鏡片)光自擴散板出來后其指向性比較差，因此需要用棱鏡片來修正光束的方向，其原理是通過光的折射與反射來達到聚集光線、來提高正面輝度的目的。偏光轉換模(P-SConverter)

利用反射偏光板將可通過與不可通過LCD偏光板的光分離，然後利用反射板將反射回來的光轉換成可用的偏光，達到亮度提高的目的。

背光模組主要光學元件背光模組主要光學元件背光模組的三大結構方式側光式(Edgelighting)發(fā)光源擺在側邊的單只光源，一般常用于18吋以下的中小尺寸背光模組，側邊入射的光源具有重量輕，超薄和窄邊化，低耗電的優(yōu)點。

直下式(Bottomlighting)超大尺寸的背光模組，側光式結構已無法在重量、耗電量以及亮度上占優(yōu)勢，因此不含有導光板并且光源放置于正下方形成直下型結構。中空式結構直下式(Bottomlighting)中空式結構資料來源:LCDIntelligence,PIDA整理LED背光模組光源以白光LED來看，由于單一LED晶片的發(fā)光頻譜很窄，因此本身無法發(fā)出白光，需要借助一些技巧，來達到到白光的目的目前常用的LED背光模組可分為四種:模擬白光LED近紫外白光LED單體RGB白光LED一體化RGB白光LED有熒光粉的LED光源模擬白光LED

基本上是由藍光LED與黃色熒光粉所組成，主要是利用互補原理產生白光，這種形式的LED結構非常簡單，而且發(fā)光效率也很高，因此被當作小型LCD的背光光源，能廣泛應用在手機，缺點是紅色成份強度弱。

近紫外白光LED

它是由可產生近紫外光的LED，與能夠產生RGB三種顏色的熒光粉組合而成，由于是利用RGB三種顏色混合變成白光的，所以白色再現(xiàn)性很高，不過這種白光LED是基于近紫外光，會使封裝樹脂與熒光粉老化，因此需要防紫外線的膠體。其次，近紫外輻射對人體是有害的。有熒光粉的LED光源平面顯示器期末報告無熒光粉的LED光源單體RGB白光LED

由於單體RGB白光LED可針對各單體LED設計散熱結構，因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的晶片物理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，才能避免背光照明模組變厚。一體化RGB白光LED

一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與背光照明模組厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。常用的LED背光模組形式平面顯示器期末報告改善LED背光模組的亮度取決於如何將發(fā)光層產生的光線取至LED外部，因為光層產生的光線會在元件內部反覆反射，甚至會被元件吸收轉化成熱能主要改善方法有以下三種:電極設計導光板設計利用驅動電路降低輝度不均平面顯示器期末報告有效取光-電極設計德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著製作凹凸狀電極，藉此改變光線的入射角，達到抑制光線反射的效果。計劃未來將元件上下反轉進行flipchip連接，同時在發(fā)光層設置mirror使光線能朝前方集光平面顯示器期末報告日亞化學則是使在藍寶石基板表面形成凹凸狀藉此散亂光線，同時採用網狀電極增加電極部位的取光效率

有效取光-電極設計平面顯示器期末報告有效取光-導光板設計LED與導光板之間的距離越近，背光模組的輝度越高，構造上當兩者距離等於0，亦即LED貼附於導光板時，LED的光線利用效率最高。平面顯示器期末報告為了滿足以上結構，設計上必須把握以下幾項重點:選用發(fā)光面為扁平狀之LED。設法使LED貼近導光板端面。LED貼近導光板端面時不可施加額外的外力。此外小尺寸基板除了可提高作業(yè)性之外，基板小型化對背光模組輕巧化具有很大的助益。有效取光-導光板設計平面顯示器期末報告有效取光-導光板設計右圖為當LED光軸與導光板的中心(板厚方向)不一致時，對背光板面輝度的影響經過模擬分析後的結果。導光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與導光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越高時，背光板的面輝度衰減越大。設計時必須盡可能選用厚度與導光板相同LED，如此便可防止輝度的損耗衰減。平面顯示器期末報告射入導光板的LED光線，在導光板內反覆反射，並朝向與入射光相反方向前進，光線反射時部分的光線被導光板表面的微細凸狀網點擴散，再從導光板表面射出成為液晶面板的照明光源，導光板的厚度越薄，導光板內光線的反射次數(shù)越多，相對的從導光板表面射出的光線也越強。有效取光-導光板設計平面顯示器期末報告有效取光-導光板設計目前導光板的厚度以0.8～1.0mm居多，導光板的厚度越薄除了容易獲得高亮度的效果之外，對于便攜式商品的輕巧化具有很好的效果。受導光板成型技術的限制，這種厚度會維持一段時期。平面顯示器期末報告有效的光取出-導光板設計為了提高LED的發(fā)光效率，利用單晶片LED作為背光模組照明光源已成為目前主流趨勢。下圖是利用單晶片LED從導光板的端面入光的典型結構，這種結構最大特征是單晶片LED就可獲得良好的照度均勻性，不過單邊入光位置很重要，需優(yōu)化設計，此法無法利用復數(shù)晶片來增加亮度。平面顯示器期末報告利用驅動電路降低輝度不均InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF)20mA時為3～4V，它比其它材質的LED高1V左右InGaN系白光LED的輝度不均範圍也比其它種類的LED大，尤其是複數(shù)LED同時點燈時更容易突顯輝度不均現(xiàn)象改善方法:-事先將LED的順向電壓值(VF)區(qū)分成不同等級。

-每個LED設置一個限制電流之電阻。

-如此