【深度分析】大功率白光LED路燈發(fā)光板與驅動設計

　　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d2E/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13LED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）

　　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)間內才能發(fā)出純正的白光，對照明場景內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%的占空周期內提供電流就可以實現(xiàn)了。可選擇200~300Hz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40Hz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。

　　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20mm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