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高压LEDs光源HV45 LEDs模组芯片的结构及工作原理

时间:2019-04-30 来源: 关键字:LED   AC/DC   

最近几年 LED 照明的迅猛发展,特别是景观照明、北京奥运、上海世博会的大量应用LED 照明灯具,唯美的电光空前的震撼了世人的感官,在全世界普及了LED 照明,LED 照明的节能、高效、长寿、环保理念深入人心。由于目前的LED 照明灯具的成本还居高不下,LED 灯具与荧光节能灯的市场占有率大约分别是5%和95%,LED 照明灯具走进千家万户还需要3—5 年的时间。

本文引用地址: http://power.21ic.com//led/technical/201904/91222.html

目前的 LED 照明大多使用低压LED 光源(LV LED),它的正向工作电压VF 低,一般为3.2±0.2V,正向工作电流IF 大,标称电流为350mA/1W 或700mA/3W。因此,需要特殊的开关恒流源供电,由此导致系统电路功率因数损耗,系统电路纹波增加;传统灯具留给我们的空间很小,LED 光源的驱动电源在狭小空间里很难做好;LED 照明灯具内都必须附加交流转直流(AC/DC)的电源转换系统,在整流后需要有较大的降压才能给低压LED 光源供电,电能损耗很大,整个电源的效率很难提高;系统电路中变压器耦合及电阻精度的误差,以及与驱动IC 的配合度,往往使变压器制造参数与理论值相差很大;驱动电源的纹波去除和电能储能需要铝电解电容器,而铝电解电容器的低寿命又成了LED灯具长寿命难于逾越的鸿沟;LED 光珠无辐射散热功能,需要传导散热,必须使用散热器,因空间有限而散热困难,LED 整灯散热至今还是一个巨大的瓶颈;LED 光珠散热不畅、不及时将导致LED 光珠早期光衰;大量的使用散热器将增加LED 照明灯具的成本和自身重量。。。虽然,诸如此类的种种困难均在我们LED 灯具设计工程师的努力改进之中,但是追求优良的产品性能和产品的成本控制一直是在矛盾之中。

HV LEDs 模组原理

高压 LEDs 光源的成功生产为LED 照明灯具开辟了一个新的视野,开创了一片新天地。高压LEDs 模组光源(HV LEDs),它的正向工作电压VF 相比LVLED 是高压的,可以人为的在生产时设计控制,HV LEDs 是在同一芯片上的模组,它在生产时已完成PN 结的片上串联,因此整个模组的VF 比较高,可设计成25V、35V、45V、50V。。。270V/DC,是LV LED 的十倍、几十倍。正向工作电IF=20mA,与LV LED 的350-700mA 相比,工作电流减少百多倍,HVLEDs 发热量因此大大降低,基本解决LV LED 散热的瓶颈,大大减少散热铝的使用量。系统电路不需要专门的AC/DC 的开关恒流源,有效降低功耗和成本。

以HV45 为例,技术参数比较理想,VF=46.9V、IF=20mA、Pin=0.94W、Flux=126 lm、CIEx=0.3524、CIEy=0.4332、CCT=5000K、Efficacy=134 lm/W。HV45 是一颗在同一芯片上生成的LEDs 模组,芯片结构如图1 所示,图中可见有16 颗LED 的PN 结在同一芯片上串联,是芯片在生产时生成。片中黄色箭头是LED 的PN 结间的互联端,将16 颗LED 的PN 结串联,所以HV45 的VF=46.9V-DC 是16 颗LED 的PN 结的VF 值相加。左下端和右上端分别是整个LEDs 模组的二个引出线端。

 

 

图 1 HV45 LEDs 模组芯片结构图

HV LEDs 光源可以是蓝色的、红色的或白色的,按实际需要设计生产。在LED 灯具设计时,可以考虑各种颜色HV LEDs 光源的搭配组合,以求需要的发光效果,LED 灯具设计师的自主空间和产品变换空间相当大。如将四个1W 的蓝光HV45 的HV LEDs 与二个0.7W 的红光HF25B 的HV LEDs 串联,即可设计成5.4W 的光源,VF=270V-DC,IF=20mA,发光效率 105 lm/W@5.4W、3000K,色温指数90。较采用传通的红色荧光粉提高30%的发光效率。高压、超高亮度红光LEDs(HF25B) + 高压蓝光LEDs (HV45) 合成高显色、超高亮度暖白光(图2)。加入红光LED 后的高显色暖白光光谱如图3 所示。

 

 

图 2 六个HV LEDs 串联应用

 

 

图3 加入红光LED 后的高显色暖白光光谱

HV LEDs 基本结构及关键技术

HV LEDs 基本架构和AC LED 相同,即是将芯片面积分割成多个细小单元PN 结之后串联而成。其特色在于,芯片能够依照不同输入之电压的需求而决定其细小单元PN 结数量与大小等,等同于做到客制化的服务。由于可以针对每颗细小单元PN 结加以优化,因此能够得到较佳的电流分布,进而提高发光效率。

HV LEDs 和一般LV LED 在技术上最主要的差异有叁,第一为开沟槽(Trench),沟槽的目的在于将N 颗的细小单元PN 结独立开来,因此其沟槽下方需要达到绝缘的基板,其深度依不同的外延结构而异,一般约在4~8um,沟槽宽度方面虽无一定的限制,但是沟槽太宽代表着有效发光区域的减少,将影响HVLED 的发光效率,因此需要开发高深宽比的制程技术,缩小制程线宽以增加发光效率。

第二为绝缘层(Isolation),若绝缘层不具备良好的绝缘特性,将使整个设计失败,其困难点在于必须在高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的膜层,这也是单晶AC LED 制程上的关键。

第三个是细小单元PN 结芯片间的互连导线(Interconnect)。一般而言,要做到良好的连结,导线在跨接时需要一个相对平坦的表面,一个深邃的阶梯状结构将使得导线结构薄弱,在高电压、高电流驱动下容易产生毁损,造成芯片的失效,因此平坦化制程的开发就变得十分重要。理想的状态是在做绝缘层时,能一并将深邃的沟槽予以平坦化,使互连导线得以平顺连接。此外,HV LEDs 在应用上和一般低压LV LED 最主要的不同点为,它不仅仅能够应用于恒流(Constant DC)的系统电路中,也可以外接桥式整流器,直接应用于交流环境,非常具有弹性。在HV LEDs 中,外部整流器舍弃AC LED 采用同质氮化镓的做法而改采用硅整流器,不仅使得耗能少,更可防止逆向偏压过大对芯片所造成的影响;HV LEDs 较AC LED 少了内部桥整流的发光区,使发光效率相对较高,耐用度也较好。

HV LEDs 应用技术

HV LEDs 应用技术相比于LV LED 的应用技术而言是十分的简单,HVLEDs 的典型应用方案:AC → 整流桥堆 → 电流调节二极管 → HV LEDs ,没有线路复杂、体积臃肿的驱动电源,没有短命的铝电解电容器,没有大的散热器。整个系统电路,只用了一个整流桥堆,一个电流调节二极管(CRD=CurrentRegulaTIon diode),如图4 所示。

系统电路的整流桥堆将来自电网的交流电(AC)变换成直流电(DC),电流调节二极管(CRD)稳定电流,满足HV LEDs 需要一个恒定的IF 电流要求。

采用高压 LEDs 来开发LED 通用照明灯具产品,由于无AC/DC 电源、无变压器、无电阻等,总体功耗可以大大降低,采用小电流工作从而大幅降低对散热外壳的设计要求。以高压蓝光1W LEDs 为例,它的正向压降高达50V,也即它只需20mA 驱动电流就可以输出1W 功率,而低压LED 正向压降为3V 的1WLED,需要350mA 驱动电流才能输出1W 功率,因此同样输出功率的高压LEDs在工作时耗散的功率要远低于低压LED,这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。高压LEDs 可以带来LED 照明灯具成本和重量的有效降低,但其更重要的意义是大幅降低了对散热系统的设计要求,从而有力扫清了LED 照明灯具进入室内照明海量市场的最大技术障碍。

HV LEDs 与LV LED 应用电路不同

HV LEDs 与LV LED 应用电路不同从图5 可以很清楚的比较,LV LED 在LED 照明灯具里必须使用AC/DC 的驱动恒流电源,因为LV LED 的VF=3.2V、IF=350-700mA;HV LEDs 在LED 灯具中的应有只需一个AC/DC 的整流桥堆和一个电流调节二极管,因为它的VF=50-270V、IF=20mA;相比应用成本和应用空间都很小。

 

 

图 5 HV LEDs 与LV LED 应用不同

HV LEDs 与LV LED 市场前景

HV LEDs 由于应用技术简单,系统电路使用周边元器件佷少,适用需要低价的家用照明海量市场,很有可能主导未来通用照明市场;LV LED 可以在灯光的颜色、亮度等方面作多种技术设计和调整,适用于商业照明市场,如商场、酒店、宾馆等公共商业场所。

隔离、非隔离电路方案与安全之争

隔离、非隔离电路方案与安全之争在近几年的 LED 照明灯具的电路方案中争论不休。其实自白炽灯发明和进入千家万户点亮照明的百年以来,虽是地道的非隔离方案,但一直是比较安全的,人们不会在白炽灯点亮时用手去摸弄它,除非电工师傅。因此非隔离的电路方案灯具产品也占有很大的市场份额。LEDs 目前的应用电路虽是非隔离电路方案,但是它的应用电路简洁、占用空间很小、生产成本较低,应当是进入千家万户照明海量市场受欢迎的新一代LED 照明产品。

是否需要配套高压恒流源驱动集成电路

针对目前 HV LEDs 的简洁应用电路,是否需要配套高压恒流源驱动集成电路?以便按照LED 需要恒流源才能可靠工作的原理,应当引起我们LED 照明工程师和集成电路设计制造商的关注,LED 照明毕竟是一个世界级的巨大市场。看来是很有必要开发一批适用于HV LEDs 的高压恒流驱动集成电路,以提高HVLEDs 应用电路的恒流精度和稳定性、可靠性,值得集成电路设计公司去创新设计,创造新一代电源集成电路产品。

LED 照明三箭并矢共争繁荣

传统的 LV LED 用恒流源驱动发光的方案、AC LED 用AC LED 光源兼做整流和发光体的方案、HV LEDs 使用整流桥堆和CRD 稳流使高压LEDs 发光的方案,这三种LED 光源产品及其LED 照明灯具产品都将在近三五年内盛行,共争市场繁荣(图6)。世界社会将在分享它们的给人类带来的恩泽。HV LEDs 虽有如上优势,是否会在家用照明海量市场胜出,还需拭目以待。

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