最經(jīng)典的白光LED電路賞析與分析，PN結(jié)溫怎樣避免過(guò)高
白光LED的應(yīng)用使閃光燈進(jìn)入更新型的應(yīng)用領(lǐng)域，它所顯出的可靠性、耐久性以及白光LED的功耗控制能力使這些器件極具吸引力。在采用白熾燈時(shí)，對(duì)器件的電源管理只是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)切換。然而白光LED不能直接采用閃光燈中的電池進(jìn)行工作，因?yàn)樗蟮碾妷菏墙橛?.8V和4V之間的，而相比之下電池電壓只有 1.8V~3V。電源管理的復(fù)雜性有所增加，因?yàn)榘坠釲ED的光輸出與電流相關(guān)，而白光LED的特征與電壓呈現(xiàn)出極端非線(xiàn)性的關(guān)系。解決此問(wèn)題的方法之一是提高電源的電流限制能力。
采用提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)白光LED的電路如圖1所示。提升電源調(diào)節(jié)器TPS6200&TImes;可以產(chǎn)生白光LED所需要的高電壓。內(nèi)部升壓功率級(jí)可連接VIN與PGND端，從而為輸出引腳L提供電流。此電路通過(guò)打開(kāi)輸出端開(kāi)關(guān)進(jìn)行工作，從而可以連接電感器L1上的電池電壓。一旦電感器L1儲(chǔ)存了足夠的能量，輸出端開(kāi)關(guān)立即關(guān)閉。電感器電流可驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)切換到負(fù)極，并驅(qū)動(dòng)輸入端的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容器C1中。
由于輸出端與輸入端的開(kāi)關(guān)是MOSFET管，因此壓降低于二極管方案，從而可以實(shí)現(xiàn)高的效率。調(diào)節(jié)器TPS6200&TImes;通過(guò)檢測(cè)電阻器能監(jiān)控流經(jīng)白光LED 的電流，同時(shí)將檢測(cè)電壓與內(nèi)部的0.45V參考電壓進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。因此，電流與照度是檢測(cè)電阻器電壓的函數(shù)。雖然TPS6200&TImes;的內(nèi)部參考電壓比其他大多數(shù)變換器的電壓要低，但也會(huì)造成功率損耗。在采用2.8~4V的白光LED電壓時(shí)，其效率將降低10%~14%。應(yīng)通過(guò)降低電阻器的阻值并采用放大器實(shí)現(xiàn)低電壓，以降低這種損耗。
圖1 提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)白光LED的方案
圖2示出了在350mA電流調(diào)整點(diǎn)時(shí)的負(fù)載電流調(diào)節(jié)與升壓電壓的效率曲線(xiàn)。在正常的電池電壓范圍內(nèi)，工作效率可達(dá)到80%以上，但是隨著電池電壓降低到壽命終點(diǎn)值，效率會(huì)降低。另外，圖2還說(shuō)明了有無(wú)檢測(cè)電阻的影響。在輸入電壓較高時(shí)，效率接近95%，而在輸入電壓較低時(shí)，效率將降到80%。曲線(xiàn)的趨勢(shì)源自?xún)蓚€(gè)相關(guān)的效應(yīng)：一是在高輸入電壓下，輸入電流和開(kāi)關(guān)電流較低，因此傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗較低；二是與自耦變壓器極其類(lèi)似，升壓功率級(jí)不處理總輸入功率。功率級(jí)處理的功率量與升壓電壓相關(guān)，或者與輸入電壓和白光LED電壓之間的壓差相關(guān)。
在此設(shè)計(jì)中，白光LED的電壓大約為8.7V，因此，在8.2V的高壓線(xiàn)路上，功率級(jí)只處理功率的6%［（8.7-8.2）/8.7］。在電流高得多的低壓線(xiàn)路上，功率級(jí)要處理8.2V時(shí)的4倍功率，即24%的功率。
圖2 電路的效率曲線(xiàn)
2、白光LED的控制電路白光LED為電流驅(qū)動(dòng)器件，光輸出強(qiáng)度由流過(guò)LED的電流決定。圖3所示的是由電壓源和限流電阻構(gòu)成的一種簡(jiǎn)單偏置電路，流過(guò)白光LED的電流由下式確定：
IDIODE=（VCC-VF）/（RLIM+RDS（ON）） （1）
圖3 LED偏置電路
這種方式的成本較低，但要求不同二極管的正向電壓VF要一致。圖4、圖5表示25℃時(shí)白光LED的正向電壓（典型值）與導(dǎo)通電流的關(guān)系曲線(xiàn)。從電流指標(biāo)可以看出，對(duì)于GaAsP白光LED，VF可以上升到2.7V（+40%）；對(duì)于InGaN白光LED，VF可以上升到4.2V（+20%）。如果系統(tǒng)中需要多只白光LED，如移動(dòng)電話(huà)背板顯示器采用8只白光LED，則按照?qǐng)D6的設(shè)計(jì)方案將需要多個(gè)限流電阻，占用較大的線(xiàn)路板面積。
PN結(jié)溫過(guò)高要怎樣調(diào)節(jié)和控制？ 1、什么是LED的結(jié)溫？
LED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的P—N結(jié)。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)電流流過(guò)LED元件時(shí)，P—N結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把P—N結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。
2、產(chǎn)生LED結(jié)溫的原因有哪些？在LED工作時(shí)，可存在以下五種情況促使結(jié)溫不同程度的上升：
a、元件不良的電極結(jié)構(gòu)，視窗層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構(gòu)成LED元件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過(guò)P—N結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過(guò)這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結(jié)溫的升高。
b、由于P—N結(jié)不可能極端完美，元件的注人效率不會(huì)達(dá)到100％，也即是說(shuō)，在LED工作時(shí)除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（空穴）外，N區(qū)也會(huì)向P區(qū)注人電荷（電子），一般情況下，后一類(lèi)的電荷注人不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會(huì)全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合，最終也會(huì)變成熱。
c、實(shí)踐證明，出光效率的限制是導(dǎo)致LED結(jié)溫升高的主要原因。目前，先進(jìn)的材料生長(zhǎng)與元件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周?chē)橘|(zhì)相比，具有大得多的折射係數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子（》90％）無(wú)法順利地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過(guò)多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。
d、顯然，LED元件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一個(gè)關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差時(shí)結(jié)溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此P—N結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個(gè)普通型的LED，從P—N結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到600℃／w之間，對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30℃／w。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚至更高。
3、降低LED結(jié)溫的途徑有哪些？
a、減少LED本身的熱阻；
b、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；
c、減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝介面之間的熱阻；
d、控制額定輸入功率;
e、降低環(huán)境溫度
LED的輸入功率是元件熱效應(yīng)的唯一來(lái)源，能量的一部分變成了輻射光能，其餘部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法，一是設(shè)法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱(chēng)外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高元件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過(guò)各種途徑散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去。
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