1w白光led串并聯(lián)組合的研究

1w白光led串并聯(lián)組合的研究

1多芯片集成的紫外光led有很多方法可以實現(xiàn)光的光刻。現(xiàn)在，最成熟的技術(shù)是將黃光刻和熒光粉涂在藍芯片上，并將藍色光與黃色光混合均勻地表示為不同顏色的光刻，以實現(xiàn)不同顏色的光刻。大功率白光LED的實現(xiàn)方法主要有兩種,一是直接封裝大功率LED芯片,典型的以Lumileds公司為代表,1W和3W大功率白光LED已經(jīng)上市;二是通過封裝多個小功率芯片組合成大功率。目前第二種方法比較適合我國國情,因為大功率芯片到目前為止還沒有國產(chǎn)化,從國外或臺灣進口,價格很高,而小功率芯片國內(nèi)貨源充足,組合成同樣的功率,其價格相對較低。除此之外,多芯片集成型白光LED還有獨特的優(yōu)勢:通過不同的串并聯(lián)組合,可以實現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流,更好地適應(yīng)驅(qū)動器設(shè)計,提高整體發(fā)光效能,降低成本;單位面積的芯片數(shù)可多可少,可以封裝成各種不同的點和面光源。主要缺點是體積偏大,由于多點發(fā)光,二次光學(xué)設(shè)計的難度加大。基于多芯片集成的大功率白光LED,國內(nèi)已有幾家公司在研究開發(fā),部分產(chǎn)品已經(jīng)上市。本文在大量試驗研究的基礎(chǔ)上,主要針對集成功率型白光LED的老化特性、光品質(zhì)以及相關(guān)驅(qū)動技術(shù)進行具體闡述。2led光衰特性白光LED進入普通照明領(lǐng)域,關(guān)鍵取決于3個因素,一是價格,二是光效,三是壽命。白熾燈雖然發(fā)光效率低、壽命短,但價格非常便宜,而且由于其色溫低、顯色指數(shù)好,仍然具有市場競爭力。熒光燈價格稍高、發(fā)光效率高、壽命也較長,缺點是含有重金屬,不利于環(huán)保。白光LED被認(rèn)為是綠色照明光源,通過芯片與熒光粉的最佳匹配,可以實現(xiàn)不同色溫和顯色指數(shù)要求,而且是固體發(fā)光,體積小。但是目前的LED芯片和封裝水平、發(fā)光效率雖比白熾燈高,但與熒光燈比,還相差很遠,價格比熒光燈還高出許多。白光LED的壽命也沒有想象的好,雖然封裝與散熱條件不同,但均只有幾千小時。研究發(fā)現(xiàn),白光LED的光衰特性與環(huán)境溫度和散熱條件密切相關(guān)。降低PN結(jié)至支架(或基板)的熱阻,以及創(chuàng)造良好的散熱條件是提高LED壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖1所示為采用多芯片集成型1W大功率白光LED的光衰情況。由圖1可見,雖然多芯片集成白光LED功率較大,但由于集成型白光LED采用導(dǎo)熱性能更好的鋁基板,并且外加散熱機構(gòu),使熱量散發(fā)的更快,因此,1W大功率集成型白光LED的光衰在900h時,只有12%。另外,隨著老化時間的推移,色溫的穩(wěn)定性也不容忽視,如圖2所示為色溫隨時間的變化關(guān)系,可以看出,色溫的穩(wěn)定性還是不錯的,說明芯片和熒光粉的衰減規(guī)律基本一致。該老化試驗?zāi)壳罢谶M行之中。3led光強分析白光LED的光品質(zhì)決定了其是否能進入普通照明領(lǐng)域。以我們設(shè)計的集成功率型1W白光LED為例,色溫6400K、顯色指數(shù)大于80時,光通量可以達到30lm以上。色溫在3000K、顯色指數(shù)大于80時,光通量可以達到25lm以上。功率相同,光通量不同,價格也有差別。圖3所示為集成功率型1W大功率白光LED的光譜特性,色溫為6400K,顯色指數(shù)85。圖4為對應(yīng)的光強分布曲線?？蛻艨梢愿鶕?jù)具體情況設(shè)計二次光學(xué)器件,以達到特定的光強分布。色溫隨電流的變化關(guān)系如圖5所示,可以看出,不同電流大小對色溫還是有一定影響的。當(dāng)溫度升高時,LED的正向壓降會隨著溫度的升高而下降,如果采用恒壓方式驅(qū)動,則電流會大幅度上升,從而導(dǎo)致溫度進一步升高,進入惡性循環(huán),嚴(yán)重降低LED的發(fā)光效率,縮短LED的壽命。因此,通常情況下,恒流驅(qū)動方式優(yōu)于恒壓方式。但對于多芯片集成的大功率LED,采用恒流驅(qū)動也不一定是最好的驅(qū)動方案。原因在于,某一串LED發(fā)生短路或斷路后,將造成電流分配不均,影響LED的正常工作,加速老化,降低壽命。4led路徑分析根據(jù)能量來源的不同,LED驅(qū)動電路總體上可分為兩類,一是AC/DC轉(zhuǎn)換,能量來自交流市電,二是DC/DC轉(zhuǎn)換,能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。根據(jù)LED驅(qū)動原理的不同,又可以分為線性驅(qū)動電路和開關(guān)驅(qū)動電路。線性電路成本低,價格便宜,但效率較低,一般不會超過60%。開關(guān)電路效率高,一般可達80%左右,成本亦高。對于由低于8顆小功率LED芯片(標(biāo)準(zhǔn)20mA)組成的光源,目前已有很多市售的DC/DC轉(zhuǎn)換芯片可以作為其驅(qū)動器,且很多是恒流驅(qū)動。如Supertex公司的HV9903,采用1.2MHz的開關(guān)振蕩頻率,可以驅(qū)動6顆串聯(lián)的LED,如圖6所示,電流可以在5～40mA調(diào)整,還具有關(guān)斷模式,效率可以達到85%。如圖7所示為美國TI公司提供的TPS61040開關(guān)驅(qū)動電路,其最大輸出電壓最高可達28V,可以為最多8顆LED提供恒流驅(qū)動,還可以通過PWM信號對LED的亮度進行控制,其效率與輸入電壓和負(fù)載等多種因素有關(guān),最高可達87%,電流不超過20mA。對于LED顆數(shù)比較少的情況,還可以采用恒壓驅(qū)動,如圖8所示為日本Torex公司生產(chǎn)的XC6371升壓電路原理圖,其外圍器件非常少,是最簡單的DC/DC轉(zhuǎn)換器之一,輸入電壓最低只需0.9V即可啟動工作,隨著輸入電壓的升高,其轉(zhuǎn)換效率也會提高,通過合理選擇外圍器件,最高轉(zhuǎn)換效率大約85%左右。對于以普通市電為電源的情況,LED驅(qū)動電路相對更成熟,小功率LED光源可以采用電容降壓實現(xiàn)恒流驅(qū)動,對于大電流情況,可以采用開關(guān)恒流驅(qū)動電路,效率較高,可達80%,成本亦可以接受。有很多廠家可以開發(fā)電源芯片,如PowerIntegrated,Fairchild等。5led材料與封裝材料我們從2002年開始研究開發(fā)LED封裝技術(shù),經(jīng)過兩年多的努力,現(xiàn)已開發(fā)出系列白光LED光源和應(yīng)用照明產(chǎn)品。1W、2W白光LED已經(jīng)批量生產(chǎn),并已成功研制出50W大功率白光LED樣品。色溫覆蓋2700～13000K,顯色指數(shù)可以做到80以上。采用多芯片組合的辦法實現(xiàn)大功率,封裝設(shè)計比較靈活,單位面積上的芯片數(shù)可以根據(jù)