高压LEDs光源HV45 LEDs模组芯片的结构及工作原理

2023/11/17 | 作者：BOB体育地址

　　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 灯具，唯美的电光空前的震撼了世人的感官，在整个世界普及了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 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 灯具走进千家万户还需要35 年的时间。

　　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3.20.2V，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窄拥挤的空间里很难做好；LED 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，一定要使用散热器，因空间存在限制而散热困难，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 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。

　　高压 LEDs 光源的成功生产为LED 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 发热量因此大幅度的降低，基本解决LV LED 散热的瓶颈，大幅度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，大大降低功耗和成本。

　　HV LEDs 光源可以是蓝色的、红色的或白色的，按实际要设计生产。在LED 灯具设计时，可优先考虑各种颜色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。

　　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，因此能获得较佳的电流分布，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），沟槽的目的是将N 颗的细小单元PN 结独立开来，因此其沟槽下方要达到绝缘的基板，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，因此就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导线结构薄弱，在高电压、高电流驱动下易产生毁损，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，很具有弹性。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，使发光效率相比来说较高，耐用度也较好。

　　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。总系统电路，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，总体功耗可以大幅度降低，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幅度的降低。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度降低了对散热系统的设计的基本要求，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 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在近几年的 LED 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。

　　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。

　　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 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。