大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)

圖12　陶瓷基板LED陣列

采用半導(dǎo)體新型COB技術(shù)封裝后，LED芯片直接封裝在基板的銅線路層上，不用象單個(gè)功率型LED器件那樣另外加工芯片熱沉、電極引線框架以及塑料外殼等，能簡(jiǎn)化LED封裝工藝，縮短封裝流程，節(jié)約成本。

2. 4 以光線最佳歸一化為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算COB組裝的大功率白光LED 芯片陣列的芯片間距離

采用COB技術(shù)陣列式封裝大功率白光LED芯片制造路燈照明發(fā)光板時(shí)，芯片間的距離對(duì)陣列的出光效率和熱管理的影響也是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。因?yàn)樾酒ぷ鬟^(guò)程中會(huì)不可避免的發(fā)熱，如果靠得過(guò)近，整個(gè)面板的中間的高熱區(qū)就會(huì)因?yàn)闇厣^(guò)快而影響燈具的正常使用，一般有可能會(huì)發(fā)生偏色，更嚴(yán)重的后果可能就是由于溫度過(guò)高，散熱不暢而導(dǎo)致LED發(fā)光器件失靈，造成整個(gè)發(fā)光陣列的開(kāi)路，影響燈具的使用壽命和穩(wěn)定性能。所以要避免這種不利的熱管理狀態(tài)。但是，如果距離太遠(yuǎn)，則可能會(huì)使出光后由于各點(diǎn)LED光源射出后在被照?qǐng)鰞?nèi)交叉覆蓋不足即光線歸一化不好而導(dǎo)致照明光強(qiáng)不均勻。

現(xiàn)在忽略芯片、封裝材料以及空氣三者之間界面的反射、折射以及全反射等光學(xué)現(xiàn)象。假設(shè)單芯片LED 光源為受限朗伯光源且為點(diǎn)光源，可表示為：

如果m = 1,那么LED光源就為完美的朗伯光源，考慮到實(shí)際情況，對(duì)于LED光源， m > 1.而且m依賴與半角度θ 1 /2 (由制造商給出，定義為光照度下降到零度角光照度的1 /2 時(shí)的角度) ,一般可由式(2)表示：

根據(jù)平方反比定律可知，在直角坐標(biāo)系中，在某一點(diǎn)P ( x, y, z)的光照度可以表示為式(3) :

其中ILED =LLED ·ALED為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度， LLED為L(zhǎng)ED芯片的亮度，單位cd /m2 ·sr, ALED為芯片的面積。

考慮只有兩個(gè)LED的組成簡(jiǎn)單陣列情況，芯片之間的距離為d,那么兩個(gè)LED組成的陣列的光照度公式(4)為：

通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)芯片之間的距離d, 得到比較均勻的照明區(qū)域所示，通過(guò)對(duì)E求兩次導(dǎo)，使得在( x,y) = ( 0, 0)的位置d2 E /dx2 = 0,得到最大平坦條件：

對(duì)于N ×N 陣列的LED模塊：

當(dāng)N 為奇數(shù)時(shí)，總的光照度公式(6)為：

當(dāng)N 為偶數(shù)時(shí)，總的光照度公式(7)為：

計(jì)算各LED芯片間的距離的方法與兩管的計(jì)算方法相同。圖13為仿真模擬結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)光源的距離為dmax時(shí)在坐標(biāo)零點(diǎn)附近的照度是均勻的，否則將出現(xiàn)暗區(qū)。

圖13　LED雙芯片之間發(fā)光圖樣重疊(歸一化)分布示意圖( ( a) d = dmax , ( b) d > dmax )

3 大功率白光LED芯片陣列---路燈發(fā)光板的驅(qū)動(dòng)與亮度調(diào)節(jié)技術(shù)

發(fā)光半導(dǎo)體屬于直流驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)方式有：

恒壓驅(qū)動(dòng)有文獻(xiàn)也稱為電阻限流驅(qū)動(dòng)方式和恒流驅(qū)動(dòng)方式兩種。相比之下，恒流驅(qū)動(dòng)PWM調(diào)亮方式來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率白光發(fā)光二極管要優(yōu)于恒電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)工作電流方式來(lái)調(diào)節(jié)亮度的方式。

因?yàn)榇蠊β拾坠獍l(fā)光二極管只有在特定的電流區(qū)間內(nèi)才能發(fā)出純正的白光，對(duì)照明場(chǎng)景內(nèi)的景物有最強(qiáng)的再現(xiàn)能力即演色性，但是這個(gè)電流范圍非常窄。LED 的響應(yīng)時(shí)間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)合，因此可以方便地通過(guò)周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的調(diào)節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內(nèi)提供電流就可以實(shí)現(xiàn)了?？蛇x擇200~300 Hz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行PWM亮度調(diào)節(jié)，這是因?yàn)槿搜蹮o(wú)法分辨超過(guò)40 Hz的頻率的變化， 但是太高的頻率又會(huì)引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性， 恒流驅(qū)動(dòng)PWM亮度調(diào)節(jié)方式是工作在某個(gè)特定的正向電流下， LED能顯示出最純的白光，不會(huì)象調(diào)節(jié)工作電流方式調(diào)節(jié)亮度那樣隨著工作電流偏離這個(gè)值，大功率高亮度白光LED發(fā)出的光會(huì)產(chǎn)生偏色現(xiàn)象。另外，大功率高亮度白光LED都是工作在大電流下，因此其在工作時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。隨著工作溫度的升高，LED器件的性能會(huì)降低，因此散熱對(duì)LED器件工作性能影響很大。在使用PWM控制方式時(shí)和脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時(shí)，LED器件會(huì)有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電。而且PWM方式使用控制電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易。

4 結(jié) 論

在LED路燈發(fā)光板設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證大功率白光LED的發(fā)光效率和每個(gè)LED芯片光發(fā)射的適當(dāng)交叉覆蓋。大功率白光LED 的發(fā)光效率與芯片設(shè)計(jì)、封裝方式、驅(qū)動(dòng)方式、溫度等因素密切相關(guān)。為盡量提高大功率白光LED路燈發(fā)光板的電/光轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)中從大功率白光LED發(fā)光芯片設(shè)計(jì)入手，采用增加發(fā)光芯片面積、電極優(yōu)化、發(fā)光芯片倒裝焊接在高導(dǎo)熱熱沉材料襯底、保型涂粉等技術(shù)，保證了大功率白光二極管最大電/光轉(zhuǎn)化率和所發(fā)出白光的均勻度。大功率白光LED畢竟屬于點(diǎn)光源，發(fā)光過(guò)程中熱量集中，并且當(dāng)LED結(jié)溫超過(guò)120 ℃時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重光衰和偏色。根據(jù)有限元分析軟件對(duì)單管大功率白光LED倒裝焊接封裝于高導(dǎo)熱熱沉層封裝模型的熱阻分析可知： 采用高導(dǎo)熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對(duì)流下，其直徑要大于20 mm才能使LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技術(shù)封裝的LED 模塊，很容易實(shí)現(xiàn)在空氣自然對(duì)流下將芯片工作結(jié)溫控制在120 ℃以下，并可與外部散熱技術(shù)良好兼容。在使用PWM控制方式時(shí)，當(dāng)其脈沖平均電流和直流電流大小相等時(shí)， LED器件會(huì)有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電，而且控制電路實(shí)現(xiàn)容易。