大功率照明综合设计技术

大功率照明综合设计技术王忆五邑大学12LEDlightingsystemLED背光模组PartI：OutlookHowdotheywork?LEDbasics

OverviewandprofessionalterminologyComparisonbetweenLEDsandconventionalLightsources-SemiconductorLuminaireDevelopmentOpticalSystemElectricalSystemThermalSystemEvaluationofLuminairesystemLEDTechnologyOverviewJoeJablonskiMay5,2009BasicStructureandFunctionofanLEDWhatisanLED?CavityMoldPackageDevelopment3.4x3.3x1.9mmAdvancedPowerTOPLED®TOPLED®3.5x2.8x1.9mmPowerTOPLED®3.5x2.8x1.9mm11.0x6.0x1.8mmGoldenDRAGON®3.0x3.0

2.8mmOSLONHighPowerLEDPackages–GeneralLightingDimensions:lengthxwidthxheight11.0x6.7x4.2mmDiamond

DRAGON®AdvancedPowerTOPLED®

PlusGoldenDRAGONPlus®11.0x6.0x1.8mm3.4x3.2x2.27mmInGaAlP(IndiumGalliumAluminumPhosphide)Red,amber,orange,yellowInGaN(IndiumGalliumNitride)Green,blue,deepblueIII-VChipMaterialSystemYellowOrangeRedOrangeRedY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Org.Red(InGaAlP)617nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nmBlueGreenB=Blue(InGaN)470nmV=VerdeGreen505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(InGaAlP)560nmG=Green(InGaAlP)570nmB=Blue(GaN)466nmWhiteW=White(GaN)(x=0.32/y=0.31)W=White(InGaN)(x=0.32/y=0.31)InGaAlPInGaN/GaNColorsofLightEmittedfromLEDChipsHowDoesLEDGenerateWhiteLight?White

=

Red+

Green+BlueTri-ColorColorimetryRed/Green/Blue–primarycolorsWhite–mixtureof3primarycolorsEmissionWavelength400500600700nmBlueChip+1Phosphor400500600700nmUV-Chip++3Phosphors400500600700nmRGB-Chips++400500600700nmBlueChip+YellowChipWhiteLEDApproachesRelativeSpectralPower(%)Wavelength(nm)InGaNLEDYAGPhosphorWavelength(nm)SpectrumofWhiteLEDsPhosphorsBlueInGaNchip+Phosphor=WhiteLEDSingle-ChipWhite,LWW5AMCorrelatedColorTemperature(CCT)

CorrelatedColorTemperature(CCT)–isusedasamethodofquantifyingvaryingshadesofwhitelightandiscorrelatedtothePlanckianLocus(orBlackBodycurve)LED’sandConventionalLightSources

TypesofLightingFixturesINDOORResidentialCommercial/IndustrialHospitalityOUTDOORResidentialCommercial/IndustrialSystemwithLampsLamp+PowerSupply+LuminaireSystemwithLEDsLEDLightingSystemIntegrationLED+Optics+BoardAssembly+Heatsink+PowerSupply+LuminaireLEDvs.OtherLightSourcesIncandescentHalogenFluorescentMetalHalideWhiteLEDEfficacy

(Im/W)7-2015-2050-10080-11070-110Lifetime(hrs)750–

2,0002,000–4,0009,000–20,0005,000–20,00050,000+CCT

(K)2,500–

3,0002,800–3,1502,700–7,5004,0002,700–10,000CRI9510070-857070-85LEDPerformance

(dependingonCCT)LEDSystemEfficiency-10%-15%-20%75-100lpwSystemefficiency:55-60%[lm/W]TargetLuminaireEfficiency35lm/WOptical,Electrical,andThermalsystemsLEDSystemOpticalSolutionsLEDComponentThermalSolutionsElectronicSolutionsLEDIntensityPatternsofHighPowerSMTLEDswithPrimaryIntegratedOpticsViewingAngle(120x80°)ViewingAngle(50%Iv)+/-80.5(170)ViewingAngle(50%Iv)+/-45°(90°)

ViewingAngle(50%Iv)+/-60°(120°)

SecondaryLEDOpticsDriversandLEDBallastsICdrivermanufacturerDriverICsprovideaconstantcurrentsupplytoandelectricalcontroloftheLED.DrivercircuitsupplierElectricalControlGear(ECG)offersplug&playsolutionstodrivethelightingsystem.IntegratedCircuit(IC)orBallastLEDlightsourcesystemThermalSolutionsThermalSystemConfigurationThermalResistorNetwork

ManagingtheLEDThermalSystemConfigurationAluminiumPlateSolderDielectricSolderPadsHeatSinkDieBondWireMoldingCompoundDieAttachLeadsTJunctionTSolderPointTBoardTAmbientRthSBRthBARthJSCOMPONENTSUBSTRATETECHNOLOGYCOOLING

SYSTEMSubstratesSubstratematerialsThermalsubstratematerials(e.g.metalcorePCB)provideprimaryheatspreading,heattransfertotheheatsink,electricalconnectiontothedriver,andmechanicalmounting.FR4boardFlexibleCircuitMetalCorePCBInterfaceMaterialsInterfacematerialsThermalinterfacematerials(e.g.filmorthermalgrease)improveheatdissipationandelectricalisolation.HeatsinksHeatsinkengineering&manufacturingHeatsinksdissipateheattotheambientenvironment.WhyisthermaldesignimportantforLEDs?Goal1–ToensureLED’sreliableoperationwithnocatastrophicfailure.BypreventingLEDsfromexceedingthemaximumpermissiblejunctiontemperaturerepeatedlywithintherequiredambienttemperaturerange.Goal2–ToensureLED’slifetimewithnosignificantearlydegradation.BypreventingLEDsfrombeingover-drivenwithintherequiredambienttemperaturerange.Goal3–TooptimizeLED’sopticalperformance.BydrivingtheLEDsatthemaximumpossiblecurrentwithintherequiredambienttemperaturerange.(minimumthermaldegradation)GoodthermaldesignminimizesLEDJunctionTemperatureTjtomaximizeLED’s“useable”lightoutput.LEDLifetimeInfluencingfactorsonreliabilityLEDReliabilityhumiditytemperaturechemicalscurrentandvoltagemechanicalforceslightLEDLifetimebasedonLumenMaintenanceL70/B50:Lifetime(Lamp)-thelifeofalampisthenumberofhoursforapproximately50%ofalargegroupoflampsofthesamekindtofail.Failureimpliesthatthelampwillnolongerlight.Atthattimethesourcecanbelowerthan50%ofinitialLumenoutputdependingonthesourcetype.LumenDepreciation(orLumenMaintenance)–Thelamp’sprocessof“aging”resultsinalampemitting70%orlessofitsinitiallumenswhenitreachesratedlife.LEDLifetimeisbasedonthisdefinition.Source:NorthAmericanEnergyGroup(website)LumenMaintenanceLEDExampleLEDApplicationsGeneralIlluminationSolidStateLightingistheSolutionTodayEfficientTechnologyDirectionallightsource

(minimalcollectionlosses)Highefficiency,lowerwattageLowvoltageGreaterDesignFlexibilityCompactsize(fixturedesignflexibility)DynamiccolortuningInstantonanddimmableNoInfraredandUVemissionWiderangeofCCT&CRIoptionsReliabilityLonglifetimeof50k+hoursLowerlifecyclecostsReducedmaintenancecostsRobust(temperature,shock)EnvironmentalFriendlyNomercury(reduceddisposalcosts)ReducedfossilfuelconsumptionandcarbonemissionsPart

II：LED背光模組台湾光电所平面顯示器期末報告Outlook背光模组LED背光模组光源LED背光模组的光色的改进LED光源的应用平面顯示器期末報告背光模组背光模组(Backlightmodule)：液晶显示器面板(LCDpanel)的关键组件之一。液晶本身不发光，光源的显示完全通过背光模组来提供，要保证足够的亮度和分布均匀的背光背光模组的基本原理是将常用的点或线型光源，通过简洁有效的光结构转化而形成高亮度、光分布均匀的背光，提供给显示界面。早期的显示器背光大多采用冷阴极管进过反射罩进入导光板，然后转化成均匀分布的面光源，再经过扩散片的均光作用和棱镜片的集光作用来提高光源的亮度和均匀度。背光模组背光模组的主要光學元件光源(Lightsource)冷阴极荧光管(CCFL:Coldcathodefluorescentlamp)热阴极荧光管发光二极管(LED:Lightemittingdiode)电致发光片(EL)导光板(Lightguideplate)引导光线方向，提高面板的亮度和均匀度，利用疏密、大小不同的微结构图案设计可使导光板均匀发光。反射板(Reflector)將漏出的光反射回导光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。扩散板(Diffuser)提供给液晶显示器一个均匀的光源。

增亮膜(BEF棱镜片)光自扩散板出来后其指向性比较差，因此需要用棱镜片来修正光束的方向，其原理是通过光的折射与反射来达到聚集光线、来提高正面辉度的目的。偏光转换模(P-SConverter)

利用反射偏光板將可通過與不可通過LCD偏光板的光分離，然後利用反射板將反射回來的光轉換成可用的偏光，達到亮度提高的目的。

背光模组主要光学元件背光模組主要光學元件背光模组的三大结构方式侧光式(Edgelighting)发光源摆在侧边的单只光源，一般常用于18吋以下的中小尺寸背光模组，侧边入射的光源具有重量轻，超薄和窄边化，低耗电的优点。

直下式(Bottomlighting)超大尺寸的背光模组，侧光式结构已无法在重量、耗电量以及亮度上占优势，因此不含有导光板并且光源放置于正下方形成直下型结构。中空式结构直下式(Bottomlighting)中空式结构资料来源:LCDIntelligence,PIDA整理LED背光模组光源以白光LED来看，由于单一LED晶片的发光频谱很窄，因此本身无法发出白光，需要借助一些技巧，来达到到白光的目的目前常用的LED背光模组可分为四种:模拟白光LED近紫外白光LED单体RGB白光LED一体化RGB白光LED有荧光粉的LED光源模拟白光LED

基本上是由蓝光LED与黃色荧光粉所组成，主要是利用互补原理产生白光，这种形式的LED结构非常简单，而且发光效率也很高，因此被当作小型LCD的背光光源，能广泛应用在手机，缺点是紅色成份强度弱。

近紫外白光LED

它是由可产生近紫外光的LED，与能够产生RGB三种颜色的荧光粉组合而成，由于是利用RGB三种颜色混合变成白光的，所以白色再现性很高，不过这种白光LED是基于近紫外光，会使封装树脂与荧光粉老化，因此需要防紫外线的胶体。其次，近紫外辐射对人体是有害的。有荧光粉的LED光源平面顯示器期末報告无荧光粉的LED光源单体RGB白光LED

由於單體RGB白光LED可針對各單體LED設計散熱結構，因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的晶片物理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，才能避免背光照明模組變厚。一体化RGB白光LED

一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與背光照明模組厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。常用的LED背光模组形式平面顯示器期末報告改善LED背光模组的亮度取決於如何將發光層產生的光線取至LED外部，因為光層產生的光線會在元件內部反覆反射，甚至會被元件吸收轉化成熱能主要改善方法有以下三種:電極設計導光板設計利用驅動電路降低輝度不均平面顯示器期末報告有效取光-电极设计德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著製作凹凸狀電極，藉此改變光線的入射角，達到抑制光線反射的效果。計劃未來將元件上下反轉進行flipchip連接，同時在發光層設置mirror使光線能朝前方集光平面顯示器期末報告日亞化學則是使在藍寶石基板表面形成凹凸狀藉此散亂光線，同時採用網狀電極增加電極部位的取光效率

有效取光-电极设计平面顯示器期末報告有效取光-导光板设计LED與導光板之間的距離越近，背光模組的輝度越高，構造上當兩者距離等於0，亦即LED貼附於導光板時，LED的光線利用效率最高。平面顯示器期末報告為了滿足以上結構，設計上必須把握以下幾項重點:選用發光面為扁平狀之LED。設法使LED貼近導光板端面。LED貼近導光板端面時不可施加額外的外力。此外小尺寸基板除了可提高作業性之外，基板小型化對背光模組輕巧化具有很大的助益。有效取光-导光板设计平面顯示器期末報告有效取光-导光板设计右圖為當LED光軸與導光板的中心(板厚方向)不一致時，對背光板面輝度的影響經過模擬分析後的結果。導光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與導光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越高時，背光板的面輝度衰減越大。設計時必須盡可能選用厚度與導光板相同LED，如此便可防止輝度的損耗衰減。平面顯示器期末報告射入導光板的LED光線，在導光板內反覆反射，並朝向與入射光相反方向前進，光線反射時部分的光線被導光板表面的微細凸狀網點擴散，再從導光板表面射出成為液晶面板的照明光源，導光板的厚度越薄，導光板內光線的反射次數越多，相對的從導光板表面射出的光線也越強。有效取光-导光板设计平面顯示器期末報告有效取光-导光板设计目前导光板的厚度以0.8～1.0mm居多，导光板的厚度越薄除了容易获得高亮度的效果之外，对于便携式商品的轻巧化具有很好的效果。受导光板成型技术的限制，这种厚度会维持一段时期。平面顯示器期末報告有效的光取出-导光板设计为了提高LED的发光效率，利用单晶片LED作为背光模组照明光源已成为目前主流趋势。下图是利用单晶片LED从导光板的端面入光的典型结构，这种结构最大特征是单晶片LED就可获得良好的照度均匀性，不过单边入光位置很重要，需优化设计，此法无法利用复数晶片来增加亮度。平面顯示器期末報告利用驅動電路降低輝度不均InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF)20mA時為3～4V，它比其它材質的LED高1V左右InGaN系白光LED的輝度不均範圍也比其它種類的LED大，尤其是複數LED同時點燈時更容易突顯輝度不均現象改善方法:-事先將LED的順向電壓值(VF)區分成不同等級。

-每個LED設置一個限制電流之電阻。

-如此