集成功率级LED与恒流源电路一体化设计

1 引言 

    目前，功率级LED产品有两种实现方式：一是采用单一的大面积功率级LED芯片封装，美国、日本已经有5W芯片的产品推向市场，需要低压大电流的恒流驱动电源供电，其价格也比较高；另一种是采用小功率芯片集成方式实现功率级LED，日本松下电工已经开发出20W的集成LED产品。然而由于功率级LED在低压大电流条件下工作，对于远距离的恒流驱动电源供电却存在着线路功耗大、系统可靠性低等许多难以解决的技术问题。

    在承担的国家级科技攻关项目中，我们将新设计的DIS1xxx系列浮压恒流集成二极管与LED芯片通过厚膜集成电路工艺技术集成为一体，解决了集成功率级LED在使用中的恒流电源供电问题，其电流稳定度、温度漂移和可靠性等技术指标，均符合项目要求。

2 主要参数设计

    采用单晶硅片作为基板，用双极型集成电路工艺方法在硅片上制作二氧化硅绝缘层、铝导电反光层，将多个LED芯片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮压恒流集成芯片集成在一起。通过光刻和扩散工艺，在单晶硅层形成反向稳压二极管，用于泄放静电，以提高LED的抗静电能力。我们设计的5W功率级集成LED，采用80个0.3mm×0.3mm的 LED蓝光芯片，通过涂敷YAG荧光粉发白光，主要技术参数为：

    输入电压范围Vin：DC 150 ±5 V；

    恒定工作电流Io ：20 mA×2mA；

    电流稳定误差△Io：＜ ±5 ％；

    恒流温度漂移△IT ：＜5 μA/℃；

    抗静电电压：VEDS≥1500 V；

    电功率：Pm ≥ 5 W（加散热片）；

    光效≥17 Lm/W；

    热阻：RΘ≤16℃/W（包括硅基板和铜热沉）；

3 电路结构设计

3.1 电路原理设计

    电路原理设计（图1）使用了两个DIS1020A 浮压恒流集成二极管分为两路恒流驱动各40个串联LED，每路的工作电流为20mA。在硅基板上，采用扩散工艺制作了16个56V/10mA的稳压二极管以吸收、泄放静电，保护LED不会受到静电的击穿而失效。电路中，设计的电容、二极管主要为了吸收来自外部供电电源的谐波、脉冲和其他干扰信号，减少这些干扰信号对产品的影响，提高产品的可靠性和工作环境适应性。

　　
 

3.2 混合集成设计

    采用硅基板与铜热沉结构设计（图2），80个 LED设计为10×8矩阵结构，每10个LED与一组2个稳压二极管构成一个单元，硅基片的底面为稳压二极管的p区，n区通过铝导电反光层与每组LED的正、负极分别连接在一起，通过合金工艺实现欧姆接触。SMD电容C1，C2，C3和二极管D1设计在外围区域，减少对光的吸收和遮光等不良影响。

　　 

3.3 热沉的温度梯度设计

    为了提高产品的可靠性，采用1mil的金丝进行键合球焊，由于LED数量较多，硅基板的面积较大，导致硅基板中心部位的热量不能及时传到热沉上，致使温度升高造成中心部位的LED发光亮度降低。为此，采用新的合金技术进行铜热沉结构设计，减少了热沉的热阻RΘ和温度梯度dT( x，y)/dL，使硅基板中心部位的热量能够及时传到热沉上，再通过外壳进行散热，以提高产品的可靠性。硅基板为矩形结构，厚度为0.3mm，其热阻可以用下列公式进行描述[1]

    RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/

    2k(a-b)

    式中，a和b分别为硅基板的长和宽； x为硅基板的厚度；k为硅基板的热导率。

4 主要参数测试结果

4.1 热阻与温度梯度

    试验和批量生产的产品经过使用证明，完全达到设计要求。表1是热阻RΘ、位置x，y 和温度梯度dT(x, y)/dLx，dT(x，y)/d Ly采用光热阻扫描方法[2]测试的结果，以硅基板中心为原点，分别测试X，-X，Y和-Y等距离为1mm的温度。

　　 

4.2 温度漂移

    图3是产品的温度漂移参数△I T与恒定工作电流Io的关系曲线。产品温度漂移的试验环境温度为-50～100℃，以25℃/40mA为参考基准，100℃时的最大温度漂移为1.64μA/℃， -50℃时的最大温度漂移为1.49μA/℃。在正常环境条件（ -25～50℃）下使用，其平均温度漂移为0.94μA/℃，完全满足设计指标和实际使用的要求。

　　
 

4.3 发光效率与抗静电

    由于功率级LED芯片面积较大，工作时产生的高温难以及时传导出去，使LED芯片及pn结的温度过高，导致发光效率随着功率、温度的增加而急剧下降。因此，在集成功率级LED设计时，采取了高导热率的硅基板结构设计和铜合金技术的热沉设计，使其热阻大幅度降低，产品的发光效率得到提高，平均在18～20 Lm/W。

    防静电设计的效果比较明显，将50只产品置于静电为1600～1800V的环境中，连续工作48h，无发生静电击穿现象。

5 结论

    产品的一体化设计成功，使集成功率级LED在应用过程中减少了对恒流驱动电源的要求，可以直接使用稳压电源进行驱动，而且对稳压电源的要求也比较宽松，供电电压在±10%以内变化时，LED能够保证在恒流状态下正常工作，从而提高了LED 的可靠性。同时，产品在实际使用过程中，可以大大简化其工频驱动电源电路的设计，由于采用很小的驱动电流电路，使远距离供电线路的损耗非常低，特别适用于在远距离供电情况下使用。