高壓LEDs光源HV45 LEDs模組芯片的結(jié)構(gòu)及工作原理

最近幾年 LED 照明的迅猛發(fā)展，特別是景觀照明、北京奧運(yùn)、上海世博會(huì)的大量應(yīng)用LED 照明燈具，唯美的電光空前的震撼了世人的感官，在全世界普及了LED 照明，LED 照明的節(jié)能、高效、長壽、環(huán)保理念深入人心。由于目前的LED 照明燈具的成本還居高不下，LED 燈具與熒光節(jié)能燈的市場占有率大約分別是5%和95%，LED 照明燈具走進(jìn)千家萬戶還需要3—5 年的時(shí)間。

目前的 LED 照明大多使用低壓LED 光源（LV LED），它的正向工作電壓VF 低，一般為3.2±0.2V，正向工作電流IF 大，標(biāo)稱電流為350mA/1W 或700mA/3W。因此，需要特殊的開關(guān)恒流源供電，由此導(dǎo)致系統(tǒng)電路功率因數(shù)損耗，系統(tǒng)電路紋波增加；傳統(tǒng)燈具留給我們的空間很小，LED 光源的驅(qū)動(dòng)電源在狹小空間里很難做好；LED 照明燈具內(nèi)都必須附加交流轉(zhuǎn)直流（AC/DC）的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在整流后需要有較大的降壓才能給低壓LED 光源供電，電能損耗很大，整個(gè)電源的效率很難提高；系統(tǒng)電路中變壓器耦合及電阻精度的誤差，以及與驅(qū)動(dòng)IC 的配合度，往往使變壓器制造參數(shù)與理論值相差很大；驅(qū)動(dòng)電源的紋波去除和電能儲(chǔ)能需要鋁電解電容器，而鋁電解電容器的低壽命又成了LED燈具長壽命難于逾越的鴻溝；LED 光珠無輻射散熱功能，需要傳導(dǎo)散熱，必須使用散熱器，因空間有限而散熱困難，LED 整燈散熱至今還是一個(gè)巨大的瓶頸；LED 光珠散熱不暢、不及時(shí)將導(dǎo)致LED 光珠早期光衰；大量的使用散熱器將增加LED 照明燈具的成本和自身重量。。。雖然，諸如此類的種種困難均在我們LED 燈具設(shè)計(jì)工程師的努力改進(jìn)之中，但是追求優(yōu)良的產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的成本控制一直是在矛盾之中。

HV LEDs 模組原理

高壓 LEDs 光源的成功生產(chǎn)為LED 照明燈具開辟了一個(gè)新的視野，開創(chuàng)了一片新天地。高壓LEDs 模組光源（HV LEDs），它的正向工作電壓VF 相比LVLED 是高壓的，可以人為的在生產(chǎn)時(shí)設(shè)計(jì)控制，HV LEDs 是在同一芯片上的模組，它在生產(chǎn)時(shí)已完成PN 結(jié)的片上串聯(lián)，因此整個(gè)模組的VF 比較高，可設(shè)計(jì)成25V、35V、45V、50V。。。270V/DC，是LV LED 的十倍、幾十倍。正向工作電IF=20mA，與LV LED 的350-700mA 相比，工作電流減少百多倍，HVLEDs 發(fā)熱量因此大大降低，基本解決LV LED 散熱的瓶頸，大大減少散熱鋁的使用量。系統(tǒng)電路不需要專門的AC/DC 的開關(guān)恒流源，有效降低功耗和成本。

以HV45 為例，技術(shù)參數(shù)比較理想，VF=46.9V、IF=20mA、Pin=0.94W、Flux=126 lm、CIEx=0.3524、CIEy=0.4332、CCT=5000K、Efficacy=134 lm/W。HV45 是一顆在同一芯片上生成的LEDs 模組，芯片結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖中可見有16 顆LED 的PN 結(jié)在同一芯片上串聯(lián)，是芯片在生產(chǎn)時(shí)生成。片中黃色箭頭是LED 的PN 結(jié)間的互聯(lián)端，將16 顆LED 的PN 結(jié)串聯(lián)，所以HV45 的VF=46.9V-DC 是16 顆LED 的PN 結(jié)的VF 值相加。左下端和右上端分別是整個(gè)LEDs 模組的二個(gè)引出線端。

圖 1 HV45 LEDs 模組芯片結(jié)構(gòu)圖

HV LEDs 光源可以是藍(lán)色的、紅色的或白色的，按實(shí)際需要設(shè)計(jì)生產(chǎn)。在LED 燈具設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮各種顏色HV LEDs 光源的搭配組合，以求需要的發(fā)光效果，LED 燈具設(shè)計(jì)師的自主空間和產(chǎn)品變換空間相當(dāng)大。如將四個(gè)1W 的藍(lán)光HV45 的HV LEDs 與二個(gè)0.7W 的紅光HF25B 的HV LEDs 串聯(lián)，即可設(shè)計(jì)成5.4W 的光源，VF=270V-DC，IF=20mA，發(fā)光效率 105 lm/W@5.4W、3000K，色溫指數(shù)90。較采用傳通的紅色熒光粉提高30%的發(fā)光效率。高壓、超高亮度紅光LEDs（HF25B） + 高壓藍(lán)光LEDs （HV45） 合成高顯色、超高亮度暖白光（圖2）。加入紅光LED 后的高顯色暖白光光譜如圖3 所示。

圖 2 六個(gè)HV LEDs 串聯(lián)應(yīng)用

圖3 加入紅光LED 后的高顯色暖白光光譜

HV LEDs 基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

HV LEDs 基本架構(gòu)和AC LED 相同，即是將芯片面積分割成多個(gè)細(xì)小單元PN 結(jié)之后串聯(lián)而成。其特色在于，芯片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其細(xì)小單元PN 結(jié)數(shù)量與大小等，等同于做到客制化的服務(wù)。由于可以針對每顆細(xì)小單元PN 結(jié)加以優(yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布，進(jìn)而提高發(fā)光效率。

HV LEDs 和一般LV LED 在技術(shù)上最主要的差異有叁，第一為開溝槽（Trench），溝槽的目的在于將N 顆的細(xì)小單元PN 結(jié)獨(dú)立開來，因此其溝槽下方需要達(dá)到絕緣的基板，其深度依不同的外延結(jié)構(gòu)而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面雖無一定的限制，但是溝槽太寬代表著有效發(fā)光區(qū)域的減少，將影響HVLED 的發(fā)光效率，因此需要開發(fā)高深寬比的制程技術(shù)，縮小制程線寬以增加發(fā)光效率。

第二為絕緣層（Isolation），若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個(gè)設(shè)計(jì)失敗，其困難點(diǎn)在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質(zhì)緊密及絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED 制程上的關(guān)鍵。

第三個(gè)是細(xì)小單元PN 結(jié)芯片間的互連導(dǎo)線（Interconnect）。一般而言，要做到良好的連結(jié)，導(dǎo)線在跨接時(shí)需要一個(gè)相對平坦的表面，一個(gè)深邃的階梯狀結(jié)構(gòu)將使得導(dǎo)線結(jié)構(gòu)薄弱，在高電壓、高電流驅(qū)動(dòng)下容易產(chǎn)生毀損，造成芯片的失效，因此平坦化制程的開發(fā)就變得十分重要。理想的狀態(tài)是在做絕緣層時(shí)，能一并將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導(dǎo)線得以平順連接。此外，HV LEDs 在應(yīng)用上和一般低壓LV LED 最主要的不同點(diǎn)為，它不僅僅能夠應(yīng)用于恒流（Constant DC）的系統(tǒng)電路中，也可以外接橋式整流器，直接應(yīng)用于交流環(huán)境，非常具有彈性。在HV LEDs 中，外部整流器舍棄AC LED 采用同質(zhì)氮化鎵的做法而改采用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過大對芯片所造成的影響；HV LEDs 較AC LED 少了內(nèi)部橋整流的發(fā)光區(qū)，使發(fā)光效率相對較高，耐用度也較好。

HV LEDs 應(yīng)用技術(shù)

HV LEDs 應(yīng)用技術(shù)相比于LV LED 的應(yīng)用技術(shù)而言是十分的簡單，HVLEDs 的典型應(yīng)用方案：AC → 整流橋堆 → 電流調(diào)節(jié)二極管 → HV LEDs ，沒有線路復(fù)雜、體積臃腫的驅(qū)動(dòng)電源，沒有短命的鋁電解電容器，沒有大的散熱器。整個(gè)系統(tǒng)電路，只用了一個(gè)整流橋堆，一個(gè)電流調(diào)節(jié)二極管（CRD=CurrentRegulation diode），如圖4 所示。

系統(tǒng)電路的整流橋堆將來自電網(wǎng)的交流電（AC）變換成直流電（DC），電流調(diào)節(jié)二極管（CRD）穩(wěn)定電流，滿足HV LEDs 需要一個(gè)恒定的IF 電流要求。

采用高壓 LEDs 來開發(fā)LED 通用照明燈具產(chǎn)品，由于無AC/DC 電源、無變壓器、無電阻等，總體功耗可以大大降低，采用小電流工作從而大幅降低對散熱外殼的設(shè)計(jì)要求。以高壓藍(lán)光1W LEDs 為例，它的正向壓降高達(dá)50V，也即它只需20mA 驅(qū)動(dòng)電流就可以輸出1W 功率，而低壓LED 正向壓降為3V 的1WLED，需要350mA 驅(qū)動(dòng)電流才能輸出1W 功率，因此同樣輸出功率的高壓LEDs在工作時(shí)耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。高壓LEDs 可以帶來LED 照明燈具成本和重量的有效降低，但其更重要的意義是大幅降低了對散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，從而有力掃清了LED 照明燈具進(jìn)入室內(nèi)照明海量市場的最大技術(shù)障礙。

HV LEDs 與LV LED 應(yīng)用電路不同

HV LEDs 與LV LED 應(yīng)用電路不同從圖5 可以很清楚的比較，LV LED 在LED 照明燈具里必須使用AC/DC 的驅(qū)動(dòng)恒流電源，因?yàn)長V LED 的VF=3.2V、IF=350-700mA；HV LEDs 在LED 燈具中的應(yīng)有只需一個(gè)AC/DC 的整流橋堆和一個(gè)電流調(diào)節(jié)二極管，因?yàn)樗腣F=50-270V、IF=20mA；相比應(yīng)用成本和應(yīng)用空間都很小。

圖 5 HV LEDs 與LV LED 應(yīng)用不同

HV LEDs 與LV LED 市場前景

HV LEDs 由于應(yīng)用技術(shù)簡單，系統(tǒng)電路使用周邊元器件佷少，適用需要低價(jià)的家用照明海量市場，很有可能主導(dǎo)未來通用照明市場；LV LED 可以在燈光的顏色、亮度等方面作多種技術(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)整，適用于商業(yè)照明市場，如商場、酒店、賓館等公共商業(yè)場所。

隔離、非隔離電路方案與安全之爭

隔離、非隔離電路方案與安全之爭在近幾年的 LED 照明燈具的電路方案中爭論不休。其實(shí)自白熾燈發(fā)明和進(jìn)入千家萬戶點(diǎn)亮照明的百年以來，雖是地道的非隔離方案，但一直是比較安全的，人們不會(huì)在白熾燈點(diǎn)亮?xí)r用手去摸弄它，除非電工師傅。因此非隔離的電路方案燈具產(chǎn)品也占有很大的市場份額。LEDs 目前的應(yīng)用電路雖是非隔離電路方案，但是它的應(yīng)用電路簡潔、占用空間很小、生產(chǎn)成本較低，應(yīng)當(dāng)是進(jìn)入千家萬戶照明海量市場受歡迎的新一代LED 照明產(chǎn)品。

是否需要配套高壓恒流源驅(qū)動(dòng)集成電路

針對目前 HV LEDs 的簡潔應(yīng)用電路，是否需要配套高壓恒流源驅(qū)動(dòng)集成電路？以便按照LED 需要恒流源才能可靠工作的原理，應(yīng)當(dāng)引起我們LED 照明工程師和集成電路設(shè)計(jì)制造商的關(guān)注，LED 照明畢竟是一個(gè)世界級的巨大市場?？磥硎呛苡斜匾_發(fā)一批適用于HV LEDs 的高壓恒流驅(qū)動(dòng)集成電路，以提高HVLEDs 應(yīng)用電路的恒流精度和穩(wěn)定性、可靠性，值得集成電路設(shè)計(jì)公司去創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)造新一代電源集成電路產(chǎn)品。

LED 照明三箭并矢共爭繁榮

傳統(tǒng)的 LV LED 用恒流源驅(qū)動(dòng)發(fā)光的方案、AC LED 用AC LED 光源兼做整流和發(fā)光體的方案、HV LEDs 使用整流橋堆和CRD 穩(wěn)流使高壓LEDs 發(fā)光的方案，這三種LED 光源產(chǎn)品及其LED 照明燈具產(chǎn)品都將在近三五年內(nèi)盛行，共爭市場繁榮（圖6）。世界社會(huì)將在分享它們的給人類帶來的恩澤。HV LEDs 雖有如上優(yōu)勢，是否會(huì)在家用照明海量市場勝出，還需拭目以待。