集成功率级LED与恒流源电路一体化设计

文章摘要： 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，

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   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] 

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