【深度分析】大功率白光LED路燈發(fā)光板與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)平方反比定律可知，在直角坐標(biāo)系中，在某一點(diǎn)P（x，y，z）的光照度可以表示為式（3）：

　　其中ILED=LLED·ALED為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度，LLED為L(zhǎng)ED芯片的亮度，單位cd/m2·sr，ALED為芯片的面積。

　　考慮只有兩個(gè)LED的組成簡(jiǎn)單陣列情況，芯片之間的距離為d，那么兩個(gè)LED組成的陣列的光照度公式（4）為：

　　通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)芯片之間的距離d，得到比較均勻的照明區(qū)域所示，通過(guò)對(duì)E求兩次導(dǎo)，使得在（x，y）=（0，0）的位置d2E/dx2=0，得到最大平坦條件：

　　對(duì)于N×N陣列的LED模塊：

　　　當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，總的光照度公式（6）為：

當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，總的光照度公式（7）為：　

　計(jì)算各LED芯片間的距離的方法與兩管的計(jì)算方法相同。圖13為仿真模擬結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)光源的距離為dmax時(shí)在坐標(biāo)零點(diǎn)附近的照度是均勻的，否則將出現(xiàn)暗區(qū)。

圖13LED雙芯片之間發(fā)光圖樣重疊（歸一化）分布示意圖（（a）d=dmax，（b）d》dmax）

　　大功率白光LED芯片陣列---路燈發(fā)光板的驅(qū)動(dòng)與亮度調(diào)節(jié)技術(shù)

　　發(fā)光半導(dǎo)體屬于直流驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)方式有：

　　恒壓驅(qū)動(dòng)有文獻(xiàn)也稱為電阻限流驅(qū)動(dòng)方式和恒流驅(qū)動(dòng)方式兩種。相比之下，恒流驅(qū)動(dòng)PWM調(diào)亮方式來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率白光發(fā)光二極管要優(yōu)于恒電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)工作電流方式來(lái)調(diào)節(jié)亮度的方式。

　　因?yàn)榇蠊β拾坠獍l(fā)光二極管只有在特定的電流區(qū)間內(nèi)才能發(fā)出純正的白光，對(duì)照明場(chǎng)景內(nèi)的景物有最強(qiáng)的再現(xiàn)能力即演色性，但是這個(gè)電流范圍非常窄。LED的響應(yīng)時(shí)間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)合，因此可以方便地通過(guò)周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的調(diào)節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內(nèi)提供電流就可以實(shí)現(xiàn)了?？蛇x擇200~300Hz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行PWM亮度調(diào)節(jié)，這是因?yàn)槿搜蹮o(wú)法分辨超過(guò)40Hz的頻率的變化，但是太高的頻率又會(huì)引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性，恒流驅(qū)動(dòng)PWM亮度調(diào)節(jié)方式是工作在某個(gè)特定的正向電流下，LED能顯示出最純的白光，不會(huì)象調(diào)節(jié)工作電流方式調(diào)節(jié)亮度那樣隨著工作電流偏離這個(gè)值，大功率高亮度白光LED發(fā)出的光會(huì)產(chǎn)生偏色現(xiàn)象。另外，大功率高亮度白光LED都是工作在大電流下，因此其在工作時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。隨著工作溫度的升高，LED器件的性能會(huì)降低，因此散熱對(duì)LED器件工作性能影響很大。在使用PWM控制方式時(shí)和脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時(shí)，LED器件會(huì)有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電。而且PWM方式使用控制電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易。

　　結(jié)論

　　在LED路燈發(fā)光板設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證大功率白光LED的發(fā)光效率和每個(gè)LED芯片光發(fā)射的適當(dāng)交叉覆蓋。大功率白光LED的發(fā)光效率與芯片設(shè)計(jì)、封裝方式、驅(qū)動(dòng)方式、溫度等因素密切相關(guān)。為盡量提高大功率白光LED路燈發(fā)光板的電/光轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)中從大功率白光LED發(fā)光芯片設(shè)計(jì)入手，采用增加發(fā)光芯片面積、電極優(yōu)化、發(fā)光芯片倒裝焊接在高導(dǎo)熱熱沉材料襯底、保型涂粉等技術(shù)，保證了大功率白光二極管最大電/光轉(zhuǎn)化率和所發(fā)出白光的均勻度。大功率白光LED畢竟屬于點(diǎn)光源，發(fā)光過(guò)程中熱量集中，并且當(dāng)LED結(jié)溫超過(guò)120℃時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重光衰和偏色。根據(jù)有限元分析軟件對(duì)單管大功率白光LED倒裝焊接封裝于高導(dǎo)熱熱沉層封裝模型的熱阻分析可知：采用高導(dǎo)熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對(duì)流下，其直徑要大于20mm才能使LED芯片在120℃以下工作。而采用的COB技術(shù)封裝的LED模塊，很容易實(shí)現(xiàn)在空氣自