大功率白光LED路灯发光板设计与驱动技术

　　实际上， COB封装技术和高热导率复合材料的结合，其优势更加体现在多芯片封装上，如图12所示，形成多芯片模块组件，有利于提高LED单位封装组件的散热性能，同时增加单位组件的发光亮度。而且高导热复合材料是电路与热沉的合成体，结构紧凑，在散热的同时也解决了电气连接的电路问题，并且由于电路层单面分布，可实现电热性能分开，与外部制冷器能很好的兼容，外部制冷组件可以直接贴在板后，进一步降低工作温度保证LED光源的可靠性和稳定性。另外，采用COB封装的制作工艺兼容于目前电路板制作流程，技术成熟可靠，可实现大规模量产。

图12　陶瓷基板LED阵列

　　采用半导体新型COB技术封装后，LED芯片直接封装在基板的铜线路层上，不用象单个功率型LED器件那样另外加工芯片热沉、电极引线框架以及塑料外壳等，能简化LED封装工艺，缩短封装流程，节约成本。

　　2. 4 以光线最佳归一化为标准计算COB组装的大功率白光LED 芯片阵列的芯片间距离

　　采用COB技术阵列式封装大功率白光LED芯片制造路灯照明发光板时，芯片间的距离对阵列的出光效率和热管理的影响也是一个很关键的因素。因为芯片工作过程中会不可避免的发热，如果靠得过近，整个面板的中间的高热区就会因为温升过快而影响灯具的正常使用，一般有可能会发生偏色，更严重的后果可能就是由于温度过高，散热不畅而导致LED发光器件失灵，造成整个发光阵列的开路，影响灯具的使用寿命和稳定性能。所以要避免这种不利的热管理状态。但是，如果距离太远，则可能会使出光后由于各点LED光源射出后在被照场内交叉覆盖不足即光线归一化不好而导致照明光强不均匀。

　　现在忽略芯片、封装材料以及空气三者之间界面的反射、折射以及全反射等光学现象。假设单芯片LED 光源为受限朗伯光源且为点光源，可表示为：

　　如果m = 1,那么LED光源就为完美的朗伯光源，考虑到实际情况，对于LED光源， m > 1.而且m依赖与半角度θ _{1 /2} （由制造商给出，定义为光照度下降到零度角光照度的1 /2 时的角度） ,一般可由式（2）表示：

　　根据平方反比定律可知，在直角坐标系中，在某一点P （ x, y, z）的光照度可以表示为式（3） :

　　其中ILED =LLED ·ALED为LED的发光强度， LLED为LED芯片的亮度，单位cd /m² ·sr, ALED为芯片的面积。

　　考虑只有两个LED的组成简单阵列情况，芯片之间的距离为d,那么两个LED组成的阵列的光照度公式（4）为：

　　通过调节两个芯片之间的距离d, 得到比较均匀的照明区域所示，通过对E求两次导，使得在（ x,y） = （ 0, 0）的位置d2 E /dx2 = 0,得到最大平坦条件：

　　对于N ×N 阵列的LED模块：

　　当N 为奇数时，总的光照度公式（6）为：

　　当N 为偶数时，总的光照度公式（7）为：

　　计算各LED芯片间的距离的方法与两管的计算方法相同。图13为仿真模拟结果。当两个点光源的距离为dmax时在坐标零点附近的照度是均匀的，否则将出现暗区。

图13　LED双芯片之间发光图样重叠(归一化)分布示意图( ( a) d = dmax , ( b) d > dmax )

　　3 大功率白光LED芯片阵列---路灯发光板的驱动与亮度调节技术

　　发光半导体属于直流驱动元件，驱动方式有：

　　恒压驱动有文献也称为电阻限流驱动方式和恒流驱动方式两种。相比之下，恒流驱动PWM调亮方式来驱动大功率白光发光二极管要优于恒电压驱动调节工作电流方式来调节亮度的方式。

　　因为大功率白光发光二极管只有在特定的电流区间内才能发出纯正的白光，对照明场景内的景物有最强的再现能力即演色性，但是这个电流范围非常窄。LED 的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒，适合于频繁开关以及高频运作的场合，因此可以方便地通过周期性的改变脉冲宽度，亦即控制占空比的方式来实现对LED亮度的调节，例如要将亮度减半，只需在50%的占空周期内提供电流就可以实现了。可选择200~300 Hz的开关频率来进行PWM亮度调节，这是因为人眼无法分辨超过40 Hz的频率的变化， 但是太高的频率又会引起白光颜色发生移位和亮度调节非线性， 恒流驱动PWM亮度调节方式是工作在某个特定的正向电流下， LED能显示出最纯的白光，不会象调节工作电流方式调节亮度那样随着工作电流偏离这个值，大功率高亮度白光LED发出的光会产生偏色现象。另外，大功率高亮度白光LED都是工作在大电流下，因此其在工作时必然会产生大量的热量。随着工作温度的升高，LED器件的性能会降低，因此散热对LED器件工作性能影响很大。在使用PWM控制方式时和脉冲平均电流和直流电流大小相等的情况时，LED器件会有更低的温度，外量子率比较高，所以有更高的发光亮度，也更加节电。而且PWM方式使用控制电路实现起来也比较容易。

　　4 结  论

　　在LED路灯发光板设计过程中要保证大功率白光LED的发光效率和每个LED芯片光发射的适当交叉覆盖。大功率白光LED 的发光效率与芯片设计、封装方式、驱动方式、温度等因素密切相关。为尽量提高大功率白光LED路灯发光板的电/光转化效率，设计中从大功率白光LED发光芯片设计入手，采用增加发光芯片面积、电极优化、发光芯片倒装焊接在高导热热沉材料衬底、保型涂粉等技术，保证了大功率白光二极管最大电/光转化率和所发出白光的均匀度。大功率白光LED毕竟属于点光源，发光过程中热量集中，并且当LED结温超过120 ℃时将产生严重光衰和偏色。根据有限元分析软件对单管大功率白光LED倒装焊接封装于高导热热沉层封装模型的热阻分析可知： 采用高导热热沉的单管大功率LED的封装方案，外加散热基板面积的尺寸很大程度影响芯片的结温，在空气自然对流下，其直径要大于20 mm才能使LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技术封装的LED 模块，很容易实现在空气自然对流下将芯片工作结温控制在120 ℃以下，并可与外部散热技术良好兼容。在使用PWM控制方式时，当其脉冲平均电流和直流电流大小相等时， LED器件会有更低的温度，外量子率比较高，所以有更高的发光亮度，也更加节电，而且控制电路实现容易。

　　根据本文对大功率白光LED各项技术性能的分析，以及对LED阵列光线归一化数学模型的分析计算，设计试制了COB技术封装的大功率白光LED路灯发光板和采用PWM驱动控制的太阳能LED路灯控制器。

　　实际驱动的实验数据完全接近LED热阻模型有限元分析的结果。在空气自然对流状态下很容易控制在120 ℃以下，与普通PCB板大功率白光LED 阵列发光板相比较，散热温度至少低15℃，在实际控制中温度补偿最高上限在85 ℃（ ±5 ℃）即可。经过连续半年的运行和实验测试，与同样光强的高压钠灯路灯相比，节能超过60%、光线归一化均匀柔和、未发现光衰现象。对大功率白光LED 路灯发光板设计具有指导意义。