多芯片集成大功率白光LED照明光源

摘　要：通过对自行设计的集成功率型1W白光LED进行测试，发现当持续点亮900h时，其光通量衰减只有12%，比传统支架型封装的白光LED明显慢，而色温飘移也不明显。1W白光LED的色温可以覆盖2700～13000K，并且显色指数均可做到80以上，完全能够满足普通照明对光性能指标的要求。通过对多颗小功率芯片(60mW)进行不同的串并联组合，可以实现不同的额定电压与电流，可以更好地匹配驱动器的设计，提高整体发光效能，降低成本，并满足不同场合的需求。最后给出了3个典型LED驱动设计实例。

关键词：白光LED；集成功率型；光品质；老化；驱动电路

引 言

实现白光LED的方法有多种，目前在技术上最成熟的一种是在蓝光芯片上涂敷发黄光和(或)发红光的荧光粉，通过蓝光与黄(红)光的混合，实现不同色温和显色指数的白光LED。大功率白光LED的实现方法主要有两种，一是直接封装大功率LED芯片，典型的以Lumileds公司为代表1W和3W大功率白光LED已经上市；二是通过封装多个小功率芯片组合成大功率。目前第二种方法比较适合我国国情，因为大功率芯片到目前为止还没有国产化，从国外或台湾进口，价格很高，而小功率芯片国内货源充足，组合成同样的功率，其价格相对较低。除此之外，多芯片集成型白光LED还有独特的优势：通过不同的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动器设计，提高整体发光效能，降低成本；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源。主要缺点是体积偏大，由于多点发光，二次光学设计的难度加大。

基于多芯片集成的大功率白光LED，国内已有几家公司在研究开发，部分产品已经上市。本文在大量试验研究的基础上，主要针对集成功率型白光LED的老化特性、光品质以及相关驱动技术进行具体阐述。

多芯片集成型大功率LED的老化特性

　　白光LED进入普通照明领域，关键取决于3个因素，一是价格，二是光效，三是寿命。白炽灯虽然发光效率低、寿命短，但价格非常便宜，而且由于其色温低、显色指数好，仍然具有市场竞争力。荧光灯价格稍高、发光效率高、寿命也较长，缺点是含有重金属，不利于环保。白光LED被认为是绿色照明光源，通过芯片与荧光粉的最佳匹配，可以实现不同色温和显色指数要求，而且是固体发光，体积小。但是目前的LED芯片和封装水平、发光效率虽比白炽灯高，但与荧光灯比，还相差很远，价格比荧光灯还高出许多。白光LED的寿命也没有想象的好，虽然封装与散热条件不同，但均只有几千小时。

研究发现，白光LED的光衰特性与环境温度和散热条件密切相关。降低PN结至支架(或基板)的热阻，以及创造良好的散热条件是提高LED寿命的关键技术之一。图1所示为采用多芯片集成型1W大功率白光LED的光衰情况。由图1可见，虽然多芯片集成白光LED功率较大，但由于集成型白光LED采用导热性能更好的铝基板，并且外加散热机构，使热量散发的更快，因此，1W大功率集成型白光LED的光衰在900h时，只有12%。另外，随着老化时间的推移，色温的稳定性也不容忽视，如图2所示为色温随时间的变化关系，可以看出，色温的稳定性还是不错的，说明芯片和荧光粉的衰减规律基本一致。该老化试验目前正在进行之中。




多芯片集成型大功率白光LED的光品质

　　白光LED的光品质决定了其是否能进入普通照明领域。以我们设计的集成功率型1W白光LED为例，色温6400K、显色指数大于80时，光通量可以达到30lM以上。色温在3000K、显色指数大于80时，光通量可以达到25lM以上。功率相同，光通量不同，价格也有差别。图3所示为集成功率型1W大功率白光LED的光谱特性，色温为6400K，显色指数85。图4为对应的光强分布曲线。客户可以根据具体情况设计二次光学器件，以达到特定的光强分布。色温随电流的变化关系如图5所示，可以看出，不同电流大小对色温还是有一定影响的。

当温度升高时，LED的正向压降会随着温度的升高而下降，如果采用恒压方式驱动，则电流会大幅度上升，从而导致温度进一步升高，进入恶性循环，严重降低LED的发光效率，缩短LED的寿命。因此，通常情况下，恒流驱动方式优于恒压方式。但对于多芯片集成的大功率LED，采用恒流驱动也不一定是最好的驱动方案。原因在于，某一串LED发生短路或断路后，将造成电流分配不均，影响LED的正常工作，加速老化，降低寿命。





驱动电路

根据能量来源的不同，LED驱动电路总体上可分为两类，一是AC/ DC转换，能量来自交流市电，二是DC/ DC转换，能量来自干电池、可充电电池、蓄电池等。根据LED驱动原理的不同，又可以分为线性驱动电路和开关驱动电路。线性电路成本低，价格便宜，但效率较低，一般不会超过60%。开关电路效率高，一般可达80%左右，成本亦高。对于由低于8颗小功率LED芯片(标准20mA)组成的光源，目前已有很多市售的DC/ DC转换芯片可以作为其驱动器，且很多是恒流驱动。如Supertex公司的HV9903，采用1. 2MHz的开关振荡频率，可以驱动6颗串联的LED，如图6所示，电流可以在5～40mA调整，还具有关断模式，效率可以达到85%。如图7 所示为美国TI公司提供的TPS61040开关驱动电路，其最大输出电压最高可达28V，可以为最多8颗LED提供恒流驱动，还可以通过PWM信号对LED的亮度进行控制，其效率与输入电压和负载等多种因素有关，最高可达87 %，电流不超过20mA。对于LED颗数比较少的情况，还可以采用恒压驱动，如图8所示为日本Torex公司生产的XC6371升压电路原理图，其外围器件非常少，是最简单的DC/DC转换器之一，输入电压最低只需0. 9V即可启动工作，随着输入电压的升高，其转换效率也会提高，通过合理选择外围器件，最高转换效率大约85%左右。

对于以普通市电为电源的情况，LED驱动电





路相对更成熟，小功率LED光源可以采用电容降压实现恒流驱动，对于大电流情况，可以采用开关恒流驱动电路，效率较高，可达80%，成本亦可以接受。有很多厂家可以开发电源芯片，如PowerIntegrateD，FairchilD等。

结 论

我们从2002年开始研究开发LED封装技术，经过两年多的努力，现已开发出系列白光LED光源和应用照明产品。1W、2W白光LED已经批量生产，并已成功研制出50W大功率白光LED样品。色温覆盖2700～13000K，显色指数可以做到80以上。采用多芯片组合的办法实现大功率，封装设计比较灵活，单位面积上的芯片数可以根据客户的实际需求而定。通过大量老化试验发现，LED的寿命不仅与芯片、封装材料密切相关，还与工作环境温度、生产工艺等密不可分。通过采用高导热性热沉( heat sink)，与传统支架型LED相比，寿命有较大提高，但与很多资料报道的100000h还有一定距离。