集成功率級LED與恒流源電路一體化設計介紹

目前,功率級LED產品有兩種實現(xiàn)方式：一是采用單一的大面積功率級LED芯片封裝,美國、日本已經有5W芯片的產品推向市場,需要低壓大電流的恒流驅動電源供電,其價格也比較高;另一種是采用小功率芯片集成方式實現(xiàn)功率級LED,日本松下電工已經開發(fā)出20W的集成LED產品。然而由于功率級LED在低壓大電流條件下工作,對于遠距離的恒流驅動電源供電卻存在著線路功耗大、系統(tǒng)可靠性低等許多難以解決的技術問題。

在承擔的國家級科技攻關項目中,我們將新設計的DIS1xxx系列浮壓恒流集成二極管與LED芯片通過厚膜集成電路工藝技術集成為一體,解決了集成功率級LED在使用中的恒流電源供電問題,其電流穩(wěn)定度、溫度漂移和可靠性等技術指標,均符合項目要求。

2 主要參數(shù)設計

采用單晶硅片作為基板,用雙極型集成電路工藝方法在硅片上制作二氧化硅絕緣層、鋁導電反光層,將多個LED芯片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮壓恒流集成芯片集成在一起。通過光刻和擴散工藝,在單晶硅層形成反向穩(wěn)壓二極管,用于泄放靜電,以提高LED的抗靜電能力。我們設計的5W功率級集成LED,采用80個0.3mm×0.3mm的 LED藍光芯片,通過涂敷YAG熒光粉發(fā)白光,主要技術參數(shù)為：　

輸入電壓范圍Vin：DC 150 ±5 V;

恒定工作電流Io ：20 mA×2mA;

電流穩(wěn)定誤差△Io：＜ ±5 ％;

恒流溫度漂移△IT ：＜5 μA/℃;

抗靜電電壓：VEDS≥1500 V;

電功率：Pm ≥ 5 W（加散熱片）;

光效≥17 Lm/W;

熱阻：RΘ≤16℃/W（包括硅基板和銅熱沉）;

3 電路結構設計

3.1 電路原理設計

電路原理設計（圖1）使用了兩個DIS1020A 浮壓恒流集成二極管分為兩路恒流驅動各40個串聯(lián)LED,每路的工作電流為20mA。在硅基板上,采用擴散工藝制作了16個56V/10mA的穩(wěn)壓二極管以吸收、泄放靜電,保護LED不會受到靜電的擊穿而失效。電路中,設計的電容、二極管主要為了吸收來自外部供電電源的諧波、脈沖和其他干擾信號,減少這些干擾信號對產品的影響,提高產品的可靠性和工作環(huán)境適應性。

3.2 混合集成設計

采用硅基板與銅熱沉結構設計（圖2）,80個 LED設計為10×8矩陣結構,每10個LED與一組2個穩(wěn)壓二極管構成一個單元,硅基片的底面為穩(wěn)壓二極管的p區(qū),n區(qū)通過鋁導電反光層與每組LED的正、負極分別連接在一起,通過合金工藝實現(xiàn)歐姆接觸。SMD電容C1,C2,C3和二極管D1設計在外圍區(qū)域,減少對光的吸收和遮光等不良影響?！?/span>

3.3 熱沉的溫度梯度設計

為了提高產品的可靠性,采用1mil的金絲進行鍵合球焊,由于LED數(shù)量較多,硅基板的面積較大,導致硅基板中心部位的熱量不能及時傳到熱沉上,致使溫度升高造成中心部位的LED發(fā)光亮度降低。為此,采用新的合金技術進行銅熱沉結構設計,減少了熱沉的熱阻RΘ和溫度梯度dT( x,y)/dL,使硅基板中心部位的熱量能夠及時傳到熱沉上,再通過外殼進行散熱,以提高產品的可靠性。硅基板為矩形結構,厚度為0.3mm,其熱阻可以用下列公式進行描述[1]

RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/