大功率白光LED路燈發(fā)光板設計與驅動技術

圖12　陶瓷基板LED陣列

采用半導體新型COB技術封裝后，LED芯片直接封裝在基板的銅線路層上，不用象單個功率型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準計算COB組裝的大功率白光LED 芯片陣列的芯片間距離

采用COB技術陣列式封裝大功率白光LED芯片制造路燈照明發(fā)光板時，芯片間的距離對陣列的出光效率和熱管理的影響也是一個很關鍵的因素。因為芯片工作過程中會不可避免的發(fā)熱，如果靠得過近，整個面板的中間的高熱區(qū)就會因為溫升過快而影響燈具的正常使用，一般有可能會發(fā)生偏色，更嚴重的后果可能就是由于溫度過高，散熱不暢而導致LED發(fā)光器件失靈，造成整個發(fā)光陣列的開路，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，則可能會使出光后由于各點LED光源射出后在被照場內(nèi)交叉覆蓋不足即光線歸一化不好而導致照明光強不均勻。

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現(xiàn)象。假設單芯片LED 光源為受限朗伯光源且為點光源，可表示為：

如果m = 1,那么LED光源就為完美的朗伯光源，考慮到實際情況，對于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，在直角坐標系中，在某一點P ( x, y, z)的光照度可以表示為式(3) :

其中ILED =LLED ·ALED為LED的發(fā)光強度， LLED為LED芯片的亮度，單位cd /m2 ·sr, ALED為芯片的面積。

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

通過調節(jié)兩個芯片之間的距離d, 得到比較均勻的照明區(qū)域所示，通過對E求兩次導，使得在( x,y) = ( 0, 0)的位置d2 E /dx2 = 0,得到最大平坦條件：

對于N ×N 陣列的LED模塊：

當N 為奇數(shù)時，總的光照度公式(6)為：

當N 為偶數(shù)時，總的光照度公式(7)為：

計算各LED芯片間的距離的方法與兩管的計算方法相同。圖13為仿真模擬結果。當兩個點光源的距離為dmax時在坐標零點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)光板的驅動與亮度調節(jié)技術

發(fā)光半導體屬于直流驅動元件，驅動方式有：

恒壓驅動有文獻也稱為電阻限流驅動方式和恒流驅動方式兩種。相比之下，恒流驅動PWM調亮方式來驅動大功率白光發(fā)光二極管要優(yōu)于恒電壓驅動調節(jié)工作電流方式來調節(jié)亮度的方式。

因為大功率白光發(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，對照明場景內(nèi)的景物有最強的再現(xiàn)能力即演色性，但是這個電流范圍非常窄。LED 的響應時間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開關以及高頻運作的場合，因此可以方便地通過周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來實現(xiàn)對LED亮度的調節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內(nèi)提供電流就可以實現(xiàn)了?？蛇x擇200~300 Hz的開關頻率來進行PWM亮度調節(jié)，這是因為人眼無法分辨超過40 Hz的頻率的變化， 但是太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調節(jié)非線性， 恒流驅動PWM亮度調節(jié)方式是工作在某個特定的正向電流下， LED能顯示出最純的白光，不會象調節(jié)工作電流方式調節(jié)亮度那樣隨著工作電流偏離這個值，大功率高亮度白光LED發(fā)出的光會產(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，因此其在工作時必然會產(chǎn)生大量的熱量。隨著工作溫度的升高，LED器件的性能會降低，因此散熱對LED器件工作性能影響很大。在使用PWM控制方式時和脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時，LED器件會有更低的溫度，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現(xiàn)起來也比較容易。

4 結 論

在LED路燈發(fā)光板設計過程中要保證大功率白光LED的發(fā)光效率和每個LED芯片光發(fā)射的適當交叉覆蓋。大功率白光LED 的發(fā)光效率與芯片設計、封裝方式、驅動方式、溫度等因素密切相關。為盡量提高大功率白光LED路燈發(fā)光板的電/光轉化效率，設計中從大功率白光LED發(fā)光芯片設計入手，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熱熱沉材料襯底、保型涂粉等技術，保證了大功率白光二極管最大電/光轉化率和所發(fā)出白光的均勻度。大功率白光LED畢竟屬于點光源，發(fā)光過程中熱量集中，并且當LED結溫超過120 ℃時將產(chǎn)生嚴重光衰和偏色。根據(jù)有限元分析軟件對單管大功率白光LED倒裝焊接封裝于高導熱熱沉層封裝模型的熱阻分析可知： 采用高導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溫，在空氣自然對流下，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 技術封裝的LED 模塊，很容易實現(xiàn)在空氣自然對流下將芯片工作結溫控制在120 ℃以下，并可與外部散熱技術良好兼容。在使用PWM控制方式時，當其脈沖平均電流和直流電流大小相等時， LED器件會有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電，而且控制電路實現(xiàn)容易。