論LED信號燈驅(qū)動電路的研究內(nèi)容與應(yīng)用前景

摘要：發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，LED)發(fā)明于20世紀(jì)60年代，問世后就以其多種優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于信號燈、數(shù)碼顯示等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進步，LED信號燈驅(qū)動電路的研發(fā)也有了長足的進步。本文介紹了LED的原理、研究內(nèi)容與技術(shù)，并著重以德陽智科電子有限公司的專利“一種車用模塊化LED信號燈組”為例，詳細分析了LED信號燈驅(qū)動電路的研究內(nèi)容與技術(shù)與實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LED信號燈 技術(shù) 研究內(nèi)容 應(yīng)用

前言：

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，是一種節(jié)能、環(huán)保、小尺寸、快速、多色彩、長壽命的新型光源。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著LED燈株，在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

1970年代最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開始應(yīng)用于指示燈、數(shù)字和文字顯示，從此LED開始進入多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括宇航、飛機、汽車、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費類產(chǎn)品等，遍及國民經(jīng)濟各部門和千家萬戶。相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優(yōu)勢，越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場。而LED在社會市場的應(yīng)用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動、散熱和光學(xué)等。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。在LED于20世紀(jì)60年代問世到80年代之前這10多年中，LED只有紅、黃、綠幾種顏色，發(fā)光效率很低（僅約1lm／W），亮度比較低，而且價格高，人們只是將其用作電子產(chǎn)品的指示燈。從LED發(fā)展和應(yīng)用歷程上看，這一時期為LED的指示應(yīng)用階段。

現(xiàn)在LED已發(fā)展到不僅用于全彩應(yīng)用和普通照明階段，還應(yīng)用于指示，而且更加廣泛，人們幾乎隨時隨地可見。我國發(fā)展LED起步于七十年代，產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)于八十年代。全國約有100多家企業(yè)，95%的廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部從國外進口。近年來國內(nèi)許多廠家都在積極研發(fā)LED新型燈具，通過幾個“五年計劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進國外先進設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進了一步。德陽智科電子有限公司的專利“一種車用模塊化LED信號燈組”即其中的代表之一。

一、研究內(nèi)容

就應(yīng)用來講，最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在當(dāng)今新設(shè)計的燈中，是采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。德陽智科電子有限公司“一種車用模塊化LED信號燈組”項目的主要研究內(nèi)容有以下幾點：

1、應(yīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)對汽車燈具的具體要求，研究器件光學(xué)特性、熱學(xué)特性、電學(xué)特性相互關(guān)聯(lián)性，開發(fā)研究應(yīng)用球帶系數(shù)法估算LED光源數(shù)目的方法。

2、利用光線追蹤的原理和方法，建立相應(yīng)的光學(xué)仿真模型，利用拋物面聚光鏡、枕形透鏡的光學(xué)性質(zhì)進行整個設(shè)計過程，應(yīng)用相關(guān)光學(xué)軟件建立汽車后位燈的光學(xué)仿真模型并制備符合要求的汽車后組合燈的樣品。

3、研究多曲面車燈的工作原理和設(shè)計方法，設(shè)計后霧燈多曲面反射腔模型，探索出采用多曲面車燈設(shè)計和仿真方法。

4、研究功率LED車燈熱源產(chǎn)生機理，建立功率LED車燈的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及其改善功率LED車燈散熱的措施。

二、一種車用模塊化LED信號燈組”工作基礎(chǔ)

德陽智科電子有限公司“一種車用模塊化LED信號燈組”項目，其工作基礎(chǔ)及存在的問題有以下幾點：

1、產(chǎn)品方面

德陽智科電子有限公司的專利“一種車用模塊化LED信號燈組”項目，已經(jīng)成功開發(fā)出發(fā)光效率為50lm/W、功率為1W與3W的系列大功率LED器件。目前，該項目研制的系列超亮白光LED各項指標(biāo)已處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，大功率照明級LED產(chǎn)品已處于國內(nèi)領(lǐng)先水平?？蔀楦黝惼囉谜彰鳠艟咛峁┤盗蠰ED超亮白光、藍光、純綠光、紅光、黃光等高等級光源二極管；LED全色系光源管；LED車燈照明級光源模塊?？蔀樵擁椖科囓囉谜彰骷昂笪粺魺艚M設(shè)計提供系列配套解決方案。

2、關(guān)鍵技術(shù)方面

德陽智科電子有限公司專利“一種車用模塊化LED信號燈組”項目，研發(fā)團隊根據(jù)多年對半導(dǎo)體封裝工藝、設(shè)備、模具及封裝材料的研究經(jīng)驗總結(jié)，成功摸索出大功率LED封裝用高分子樹脂、封裝熒光粉、芯片及封裝結(jié)構(gòu)與器件導(dǎo)熱性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能等的優(yōu)化關(guān)系，在研究分析目前國際白光HB-LED封裝主流技術(shù)后，提出自己的封裝設(shè)計方案，并把倒裝焊技術(shù)和引線鍵合兩種芯片電氣連接技術(shù)相結(jié)合，將chip－on－board系統(tǒng)封裝的理念應(yīng)用于多芯片陣列的封裝技術(shù)之中。

而且，通過前期研究，已成功應(yīng)用封裝功率LED光源于汽車后組合燈具中，并完成相關(guān)的光學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，探索出了借助光學(xué)仿真軟件TracePro完成燈具配光設(shè)計的方法，將多曲面車燈的概念引入到功率LED后組合燈的設(shè)計過程中，并分析和研究了比汽車燈具散熱的主要方法和措施，為該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用及研究的深入奠定了堅實的基礎(chǔ)。

三、技術(shù)突破

按照常規(guī)，LED信號燈驅(qū)動電路的技術(shù)要達到如下標(biāo)準(zhǔn)：電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它要使用高壓LED光源電源更安全的電源，尤其要適用于公共場所；效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少要達到80%；適用性：體積小，每個單元LED小片一般為3-5mm的正方形，一邊制備成各種形狀的器件，并且能適合于易變的環(huán)境；穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%；響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間應(yīng)為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間應(yīng)為納秒級；對環(huán)境污染：不能含害金屬汞；顏色：改變電流能夠變色，發(fā)光二極管可以方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，達到紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬S色，最后為綠色；驅(qū)動：LED要使用低壓直流電即可驅(qū)動，達到負(fù)載小、干擾弱的特點，降低對使用環(huán)境的要求；顯色性高：LED的顯色性要高，不能對人的眼睛造成傷害

德陽智科電子有限公司專利“一種車用模塊化LED信號燈組”，在達到了基本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從以下幾方面突破技術(shù)中的關(guān)鍵問題：

1、功率LED應(yīng)用中散熱關(guān)鍵技術(shù)研究。

該項目的關(guān)鍵技術(shù)主要針對目前大功率LED器件散熱問題，分析了其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，并建立起了相應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型，設(shè)計出一種低熱阻、低應(yīng)力及高效散熱新型熱沉結(jié)構(gòu)；提供一種可以解決高熱流密度、高功率的冷卻模塊封裝方案，即多數(shù)量LED在基板集中的熱管理方案。具體包括：（a）基于熱傳導(dǎo)和對流的有限元數(shù)值模型，著重分析大功率芯片到熱沉結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性熱問題，比較芯片、熱沉所采用的材料對整個LED封裝結(jié)構(gòu)散熱性能的影響；（b）材料優(yōu)選及各材料導(dǎo)熱參數(shù)匹配。功率LED熱處理技術(shù)必須同時解決以下幾個環(huán)節(jié)的散熱問題：芯片結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到冷卻裝置，這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成固態(tài)照明光源熱傳導(dǎo)的通道，熱傳導(dǎo)的通道上任何薄弱環(huán)節(jié)失敗都會使LED光源毀于一旦。為了取得更好的導(dǎo)熱效果，首要的是三個環(huán)節(jié)上都需要采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料。除了選用高導(dǎo)熱系數(shù)材料，材料之間導(dǎo)熱參數(shù)也達到了匹配，防止引發(fā)諸如由于熱膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致器件開裂等一類的問題。（c）除了材料本身的問題外，還包括從芯片到封裝材料間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)及封裝材料到PCB板間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和PCB板的散熱結(jié)構(gòu)、散熱通道等，這些都需要作整體性的考慮設(shè)計。提高大功率LED的總?cè)」庑赎P(guān)鍵技術(shù)研究。

2、功率LED組合燈組配光設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究。

該項目采用計算機技術(shù)，借助專用的輔助設(shè)計軟件進行仿真設(shè)計，采用復(fù)雜的三維空間光線光路計算，預(yù)見車燈配光曲線（等光強曲線、等光照度曲線等），在測試屏幕上顯示光能量的分布情況，判斷設(shè)計是否符合標(biāo)準(zhǔn)，這種設(shè)計方法方便、簡單、節(jié)約人力和資源，而且很快就輔助設(shè)計出一個滿足要求的新穎的汽車燈具。

3、原材料優(yōu)選及機構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)研究。

功率LED轎車后位燈的主要結(jié)構(gòu)包括燈罩、聚光板、LED燈組、PCB板、主控板、后蓋等，以及配件橡膠、外殼、防水密封圈、螺紋、電源引線等。其中燈罩、聚光鏡、后蓋均采用透光率高的塑料注塑成型，在配件接口處及電源引腳處采用橡膠圈或者注入環(huán)氧樹脂密封防水。如何保證所有材料結(jié)構(gòu)及參數(shù)的匹配是該項目研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4、大功率LED驅(qū)動電源等關(guān)鍵技術(shù)研究。

大功率LED驅(qū)動電源設(shè)計是指通過電路來實現(xiàn)對LED的控制，包括電源驅(qū)動，色彩和亮度等性能的變化，以及使用過程中的電流、溫度、光學(xué)特性的自動反饋，甚至根據(jù)時序的變化，實現(xiàn)周期性控制?？刂齐娐纷鳛長ED封裝的一部分，可有效解決LED封裝和結(jié)構(gòu)的難題，因此也是封裝過程必須協(xié)調(diào)研究的問題。根據(jù)LED的I-V特性，其工作電流If與正向電壓Vf呈指數(shù)關(guān)系。由于每個LED的正向電壓Vf值不同（與芯片制造工藝有關(guān)），且溫度對Vf影響較大，Vf的稍微增加，If值會急劇增大，使LED功耗和溫度急劇增加，導(dǎo)致LED的破壞性使用。因此，恒壓驅(qū)動方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性差。而恒流驅(qū)動正相反，即使LED本身Vf值有所偏差，或者溫度發(fā)生變化，或者電源電壓發(fā)生一定的波動，由于恒流源的存在，LED本身的工作狀態(tài)保持不變，并且由于LED光輸出與If基本成正比關(guān)系，一定的If對應(yīng)的光輸出是一定的，從而也使LED本身的發(fā)熱、亮度和色度維持在恒定的水平。

三、應(yīng)用前景

LED驅(qū)動電路的應(yīng)用有一下幾大方向：顯示屏、交通訊號顯示光源的應(yīng)用LED燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，分為全色、雙色和單色顯示屏，全國共有100多個單位在開發(fā)生產(chǎn)；汽車工業(yè)上的應(yīng)用汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。汽車用白熾燈不耐震動撞擊、易損壞、壽命短，需要經(jīng)常更換。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈。由于LED響應(yīng)速度快，可以及早提醒司機剎車；LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源最為引人注目，LED作為LCD背光源應(yīng)用，具有壽命長、發(fā)光效率高、無干擾和性價比高等特點，已廣泛應(yīng)用于電子手表、手機、BP機、電子計算器和刷卡機上；LED照明光源早期的產(chǎn)品發(fā)光效率低，光強一般只能達到幾個到幾十個mcd，適用在室內(nèi)場合，在家電、儀器儀表、通訊設(shè)備、微機及玩具等方面應(yīng)用。目前直接目標(biāo)是LED光源替代白熾燈和熒光燈，這種替代趨勢已從局部應(yīng)用領(lǐng)域開始發(fā)展；其它應(yīng)用例如一種受到兒童歡迎的閃光鞋，走路時內(nèi)置的LED會閃爍發(fā)光，僅溫州地區(qū)一年要用5億只發(fā)光二極管；家用室內(nèi)照明的LED產(chǎn)品越來受人歡迎，LED筒燈，LED天花燈，LED日光燈，LED光纖燈已悄悄地進入家庭。

德陽智科電子有限公司的專利““一種車用模塊化LED信號燈組”技術(shù)的應(yīng)用，其主要應(yīng)用目標(biāo)和發(fā)展前景有：

1、項目研究的功率LED車燈以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，創(chuàng)新性的器件結(jié)構(gòu)、散熱、光學(xué)性能設(shè)計，優(yōu)化軟性硅橡膠、熒光粉、焊劑等封裝材料，突破共晶焊等關(guān)鍵工藝技術(shù)；提出建立規(guī)模化的生產(chǎn)線方案。

2、研制出2~3種LED汽車后組合燈樣燈。

3、車燈使用3000小時內(nèi)光衰<10%。

4、建立LED汽車后組合燈規(guī)?；a(chǎn)的檢測技術(shù)和高效生產(chǎn)工藝技術(shù)，并形成年產(chǎn)3萬套的生產(chǎn)能力。

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