最經(jīng)典的白光LED電路賞析與分析，PN結溫怎樣避免過高

　　經(jīng)典增強型白光LED電路賞析：

　　1、提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動白光LED的電路

　　白光LED的應用使閃光燈進入更新型的應用領域，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，對器件的電源管理只是簡單的開關切換。然而白光LED不能直接采用閃光燈中的電池進行工作，因為它要求的電壓是介于2.8V和4V之間的，而相比之下電池電壓只有 1.8V~3V。電源管理的復雜性有所增加，因為白光LED的光輸出與電流相關，而白光LED的特征與電壓呈現(xiàn)出極端非線性的關系。解決此問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)動白光LED的電路如圖1所示。提升電源調(diào)節(jié)器TPS6200×可以產(chǎn)生白光LED所需要的高電壓。內(nèi)部升壓功率級可連接VIN與PGND端，從而為輸出引腳L提供電流。此電路通過打開輸出端開關進行工作，從而可以連接電感器L1上的電池電壓。一旦電感器L1儲存了足夠的能量，輸出端開關立即關閉。電感器電流可驅(qū)動開關節(jié)點切換到負極，并驅(qū)動輸入端的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容器C1中。

　　由于輸出端與輸入端的開關是MOSFET管，因此壓降低于二極管方案，從而可以實現(xiàn)高的效率。調(diào)節(jié)器TPS6200×通過檢測電阻器能監(jiān)控流經(jīng)白光LED 的電流，同時將檢測電壓與內(nèi)部的0.45V參考電壓進行對比，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。因此，電流與照度是檢測電阻器電壓的函數(shù)。雖然TPS6200×的內(nèi)部參考電壓比其他大多數(shù)變換器的電壓要低，但也會造成功率損耗。在采用2.8~4V的白光LED電壓時，其效率將降低10%~14%。應通過降低電阻器的阻值并采用放大器實現(xiàn)低電壓，以降低這種損耗。

　　圖1　提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動白光LED的方案

　　圖2示出了在350mA電流調(diào)整點時的負載電流調(diào)節(jié)與升壓電壓的效率曲線。在正常的電池電壓范圍內(nèi)，工作效率可達到80%以上，但是隨著電池電壓降低到壽命終點值，效率會降低。另外，圖2還說明了有無檢測電阻的影響。在輸入電壓較高時，效率接近95%，而在輸入電壓較低時，效率將降到80%。曲線的趨勢源自兩個相關的效應：一是在高輸入電壓下，輸入電流和開關電流較低，因此傳導和開關損耗較低；二是與自耦變壓器極其類似，升壓功率級不處理總輸入功率。功率級處理的功率量與升壓電壓相關，或者與輸入電壓和白光LED電壓之間的壓差相關。

　　在此設計中，白光LED的電壓大約為8.7V，因此，在8.2V的高壓線路上，功率級只處理功率的6%［（8.7-8.2）/8.7］。在電流高得多的低壓線路上，功率級要處理8.2V時的4倍功率，即24%的功率。

　　圖2　電路的效率曲線

　　2、白光LED的控制電路

　　白光LED為電流驅(qū)動器件，光輸出強度由流過LED的電流決定。圖3所示的是由電壓源和限流電阻構成的一種簡單偏置電路，流過白光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℃時白光LED的正向電壓（典型值）與導通電流的關系曲線。從電流指標可以看出，對于GaAsP白光LED，VF可以上升到2.7V（+40%）；對于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，如移動電話背板顯示器采用8只白光LED，則按照圖6的設計方案將需要多個限流電阻，占用較大的線路板面積。

　　PN結溫過高要怎樣調(diào)節(jié)和控制？

　　1、什么是LED的結溫？

　　LED的基本結構是一個半導體的P—N結。實驗指出，當電流流過LED元件時，P—N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P—N結區(qū)的溫度定義為LED結溫。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溫。

　　2、產(chǎn)生LED結溫的原因有哪些？

　　在LED工作時，可存在以下五種情況促使結溫不同程度的上升：

　　a、元件不良的電極結構，視窗層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED元件的串聯(lián)電阻。當電流流過P—N結時，同時也會流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。

　　b、由于P—N結不可能極端完美，元件的注人效率不會達到100％，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（空穴）外，N區(qū)也會向P區(qū)注人電荷（電子），一般情況下，后一類的電荷注人不會產(chǎn)生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結合，最終也會變成熱。

　　c、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長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芯片材料與周圍介質(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，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。

　　d、顯然，LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此P—N結處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED，從P—N結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到600℃／w之間，對于一個具有良好結構的功率型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甚至更高。

　　3、降低LED結溫的途徑有哪些？

　　a、減少LED本身的熱阻；

　　b、良好的二次散熱機構；

　　c、減少LED與二次散熱機構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的唯一來源，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溫升效應的主要方法，一是設法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個重要的途徑是設法提高元件的熱散失能力，使結溫產(chǎn)生的熱，通過各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。