CN102378451A - 具有稳态量子阱的led照明装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，涉及对LED照明装置的制造技术，该方法用于解决在用小功率LED芯片制造大功率LED灯具的情况下，灯具抗浪涌电流和过载电流能力差的问题，以及提高灯具的稳定性和整体使用寿命，减少在使用寿命期限内的死灯现象。该方法包括采用恒流源驱动和多个LED串联在一起的串联电路，以及按照下面的方法调整电路；依据LED光效和电流规律的曲线，在LED的原电流和光效的情况下，降低LED的电流和提高LED的光效。本发明具有光效更高，其产生的热量少，因此同比可以使用更小的散热器，从而降低了成本，可以应用于球泡、路灯或背光等照明光源领域。

Description

具有稳态量子阱的LED照明装置的制造方法

技术领域

本发明涉及一种对LED照明装置的制造技术。

背景技术

目前的LED照明灯具有如图1所示电路结构，多个LED芯片，串联在一起组成一条串联支路，然后多条串联支路并联在一起。这种电路结构常用于小功率LED芯片，芯片电流一般为20mA，也有将电流提升至30mA使用。具有这种电路结构的LED灯具的优势在于，可以用小芯片实现大功率照明，例如：48颗0.08w的小芯片可以组成一个4W的LED灯；33颗0.09W的小芯片可以组成一个3W的LED灯；90颗0.07W的小芯片可以组成一个6W的LED灯；192颗0.07W的小芯片可以组成一个14W的LED灯。

上述LED灯具的芯片均为小芯片，一般它们以COB封装或贴片的方式做在铝基板上，这是灯具的实现方式成本较低，特别是使用了小功率的LED（一般以20mA电流作为参考的芯片被认为是小功率芯片）。由于小功率LED工艺成熟，良率较高，制造成本较低，在大功率LED芯片（一般以350mA电流作为参考的芯片被认为是大功率芯片）良率较低、市场供应不足的情况下，市面上出现了大量用小芯片方案制造出来的大功率LED照明灯具。

但是，可以由上述电路结构可以看出，每条支路上有很多小芯片串联在一起。例如：一个4W的LED灯可以由两个并联的串联支路构成，每条串联支路上可以有24颗0.08W的LED芯片串联而成；一个7W的LED灯可以有三个并联的串联支路构成，每条串联支路上可以有28颗0.08W的LED芯片串联而成。在一条串联电路中串联较多数量的LED芯片，当一个芯片发生故障，会导致整条支路发生断路问题，芯片数量多，增大了发生故障的机率。

在对目前合格产品的测试表明，小功率芯片发生故障的一个重要原因就是浪涌电流，因为小功率芯片能够承受的电流变化范围很小，而目前市面上用在小芯片LED灯具的驱动电路抗干扰能力比较差，容易造成灯具损坏。灯具的光效偏低，引发散热问题，也导致灯具出现“死灯”现象。按理论，LED的使用寿命长达10万小时，但是目前，由小芯片构成的大功率LED灯具的使用寿命远远达不到要求，故障率偏高成为小功率芯片的大功率LED灯具比较突出的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，该方法用于解决在用小功率LED芯片制造大功率LED灯具的情况下，灯具抗浪涌电流和过载电流能力差的问题，以及提高灯具的稳定性和整体使用寿命，减少在使用寿命期限内的死灯现象。

为解决上述技术问题，本发明提出一种具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，包括采用恒流源驱动和多个LED串联在一起的串联电路，以及按照下面的方法调整电路；

依据LED光效和电流规律或LED芯片的外/内量子效率的曲线，在LED的原电流和光效的情况下，降低LED的电流和提高LED的光效。

优选地：依据LED光效和电流规律的曲线，设串联电路的原电流为I₁，对应的LED光效为E₁，LED光效和电流规律的曲线中最大光效为E₀，对应的电流为I₀，I₁> I₀，E₁ < E₀；

然后根据上述电流I₁和光效E₁的值对电路参数进行调整，降低该串联电路的电流，串联电路中的电流为I₂，此时对应的LED光效为E₂，并满足下面关系

I₂ <I₁，并且E₂> E₁。

原电流一般为芯片的额定电流，对每个LED芯片来说，当芯片处于稳定状态的时候，其存在一个电流取值范围，设计人员可以根据实际情况设定一个电流值作为芯片的额定电流。依据行业规范，对于小功率LED芯片，一般设计芯片的原电流为20mA，也有将芯片的额定电流定在30mA的产品；对于大功率LED芯片，一般设计芯片的原电流为350mA。

优选地：所述调整后的电流I₂不高于最大光效E₀对应的电流I₀的3倍。

优选地：所述调整后的电流I₂不高于最大光效E₀对应的电流I₀的1.5倍。

优选地，按照以下方法串联和并联LED：

首先根据下面条件确定初始电路：

设干路中有n条串联支路，n≥1，每条串联支路设计的原电流为I₁， 该支路中的LED芯片的电流I₁，每条支路的功率为W₁，n条串联支路总功率为W₀，

W₀=n×W₁，

在LED光效和电流曲线中，最高光效点处的电流为I₀，最高光效点处对应的光效为E₀，要求

I₁>I₀；

然后根据下面条件对初始电路进行调整：

在n条串联支路两端再并联m条串联支路，形成（n+m）条串联支路，（n+m）条串联支路总功率为W₂，每条串联支路上的电流为I₂，则要求I₂ <I₁，

在LED光效和电流规律的曲线中，电流I₂对应的光效为E₂，电流I₁对应的光效为E₁，则要求

E₀≥E₂ >E₁，W₂≤W₀。

优选地：所述原电流的范围为20mA≤I₁≤30mA或200mA≤I₁≤700mA。

优选地：所述LED照明装置的功率范围为1~20W。

优选地：所述m=1。

本发明的有益效果：

相比现有技术，本发明根据LED光效和电流规律，通过降低LED电流、串联支路等方法提高LED光效的方式，提高灯具的稳定性和整体使用寿命，并减少在使用寿命期限内的死灯现象。使LED的电流降低，则LED的结温会降低，LED处于更为稳定的状态，这对于不能超负荷工作的芯片来说，不失为一种降低其光衰有效方式，此时电能转换成热能的转换率会降低，光效更高，其产生的热量少，因此同比可以使用更小的散热器，从而降低了成本。

附图说明

图1包括三幅图，即图1a、1b和1c，其中图1a和图1b是本发明涉及的电路实现的一个实施例的示意图。图1c是本发明涉及的电路实现的第二个实施例的示意图。

图2是本发明涉及的大功率LED的光效/电流图。

图3是本发明涉及的小功率LED的光效/电流图。

图4是LED芯片的外量子效率的试验数据曲线。

图5是光效/电流图的参数表达示意图。

图6是LED芯片样品的光效-电流在不同温度下的一组试验数据图。

图7是另一个实施案例的外量子效率试验数据图。

具体实施方式

本发明提出一种具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，包括采用恒流源驱动和多个LED串联在一起的串联电路，以及按照下面的方法调整电路。依据LED光效和电流规律或LED芯片的外/内量子效率的曲线，在LED的原电流和光效的情况下，降低LED的电流和提高LED的光效。

本发明有多种实施方式：

第一种方式就是将原串联电路中的LED的电流降低，同时满足光效增大，延长寿命，这种情况下，灯具的整体功率会发生下降，但是光效提高了，更加节能；

第二种方式就是将原串联电路中的LED的电流降低，同时满足光效增大，并增加一支串联支路，增加的串联支路的芯片与原芯片一致的情况下要求增加的支路上的LED芯片数量与原串联支路上的芯片数量一样。此时可以要求总的功率不变。

第三种方式跟第二种相似，就是将原串联电路中的LED的电流降低，同时满足光效增大，并增加一支串联支路，增加的串联支路的芯片与原芯片一致的情况下要求增加的支路上的LED芯片数量与原串联支路上的芯片数量一样。此时可以要求总的功率降低。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面通过实施例具体进行说明。

本例以小功率LED芯片为例。小功率LED芯片的电流的范围为20mA~30mA，如图3所示为小功率LED的相对量子效率图，由该图可知，电流和光效呈现一种拱形曲线。该图是20mA/0.07W规格的LED的试验数据生成的曲线。一般情况下，企业会将额定电流20mA的小功率芯片的功率最高调整到30mA使用，这样电流会增大，而光效会降低，由图可以看出此时的光效为37%，而LED在20mA的电流下，光效为39%  。

该图3显示为一个芯片的一组试验数据形成的曲线规律，不同的芯片由于存在个体差异，因此测试的数据略有不同，但是都呈现该曲线的走向规律。

以串联电路原电流为20mA为例，设串联电路的原电流为I₁，I₁=20mA，对应的LED光效为E₁，E₁=39% ，LED光效和电流规律的曲线中最大光效为E₀，E₀=42%，对应的电流为I₀，I₀=6mA，此时满足：I₁> I₀，E₁ < E₀。原电流I₁可以额定电流，也可以是经过调整后芯片可以承受的其它电流值，即高于芯片额定电流或低于芯片的额定电流值。

此时的电路图为如图1a所示，该电路所示为2条串联支路并联在一起，，每一条串联支路上串联例如28个规格为0.07w的小芯片。两条串联支路的总功率约为4W。并联的条数本例为两条，还可以是一条、三条等，根据实际需要进行调整设计。

然后根据上述电流I₁和光效E₁的值，降低该串联电路的电流，降低电流后，串联电路中的电流为I₂，I₂=10mA，此时对应的LED光效为E₂，E₂=40%，此时满足下面关系：I₂ <I₁，并且E₂> E₁。且此时每个LED的功率为0.035W。

根据上述电流、光效参数关系对电路进行调整，参见图1b所示，要求总的功率不变，仍为4W，则芯片使用量增加了一倍，即需要并联2条串联支路。

另外，也可以只并联一条串联支路，这样会导致调整后的总功率为原来功率的75% ，即3W。具体说明如图1c所示。

以串联电路原电流为20mA为例，设LED额定电压为3V，设串联电路的原电流为I₁，I₁=20mA，结合图3，对应的LED光效为E₁，E₁=39% ，LED光效和电流规律的曲线中最大光效为E₀，E₀=42%，对应的电流为I₀，I₀=6mA，此时满足：I₁> I₀，E₁ < E₀ 。

此时的电路图为如图1a所示，该电路所示为2条串联支路并联在一起，每一条串联支路上串联例如28个规格为0.07w的小芯片。两条串联支路的总功率约为4W。并联的条数本例为一条。

然后根据上述电流I₁和光效E₁的值，降低该串联电路的电流，降低电流后，串联电路中的电流为I₂，I₂=10mA，此时对应的LED光效为E₂，E₂=40%，此时满足下面关系：I₂ <I₁，并且E₂> E₁ 。

根据上述电流、光效参数关系对电路进行调整，参见图1c所示，在原支路的两端再并联一条支路，总的功率约为3W，则芯片使用量增加了50%，即需要并联1条串联支路。

在保证调整后功率不变的情况下，按上述规则在提高光效的情况下减小芯片电流，可具有明显的节能作用，而且，由于光效提高，灯具的发热减少，对散热器的散热性能的要求降低，对于同等散热性能的散热器，有更好的散热效果，灯具使用寿命更长。

调整后的电流I₂优选范围可以是不高于最大光效E₀对应的电流I₀的3倍。调整后的电流I₂可以是最大光效E₀对应的电流I₀的1.5倍。对于I₀为5mA或6mA的芯片，I₂则最高为15mA或18mA。

在另一个实施例中，芯片尺寸为10*23微米，其外量子效率图参看图7所示。由该数据图的试验数据，电流为22mA的外量子效率是0.506328，最大光效处的电流I₀为6mA。 这种芯片，如果选择1.5倍率，则调整后的电流为9mA，如果选择3倍率，则调整后的电流为18mA。

上面的实施例为小芯片LED的示例，该小芯片的示例适用于球泡。

如图4所示一组实验数据作出的曲线图，在LED芯片的外量子效率EQE图中，可以看出EQE图与光效电流图是对应的关系，它们呈现相似的曲线，因此，本发明所参照的光效/电流规律曲线也可以用EQE图替换，或作为电路的调整依据。

图7为另一组试验数据的表格图，从该表格为EQE曲线图的试验数据来源。由该表格可以看出在5mA和6mA处，外量子效率EQE值达到最大0.47。

本发明也同样适用于大功率LED芯片。如图2所示为大功率LED芯片的光效/电流图。该图呈现与小功率芯片一致的规律。大功率芯片的电流一般在200mA~700mA，设计芯片的原电流为350mA。按照本发明技术，则需要降低电流，例如按照光效电流曲线，向着增大光效的方向确定电流，如将电流设定在200mA，然后参照小功率芯片的调整方式调整电路中的串并联关系。对应大功率LED芯片的应用，主要是使用在液晶电视的背光上，还可以应用在路灯领域，或者射灯等灯具上。

上述说明是LED在某一温度值下的光效-电流曲线规律，与通过电光转换比例表示的光效方式不同的是，这里的光效是用每瓦转换成的光通量表示的。在不同温度下，光效-电流曲线稍有区别。如图6所示，图中显示是华氏温度下的LED光功率-电流曲线规律，需要说明的是该检测温度为测量到的结温体现，六条曲线分别为298k、313k、323k、333k、353k和373k。由该图可以看出，随着温度的升高，光效逐渐降低，但是各种温度下的光效-曲线规律走向并无明显区别。例如，298k，即147.8摄氏度的结温，芯片所处的室温可以是10~50摄氏度。图6是试验数据，不同的LED芯片得出的试验数据并不相同，但是形成的光效-电流曲线走向却是大同小异的。

Claims (8)

1.一种具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，包括采用恒流源驱动和多个LED串联在一起的串联电路，以及按照下面的方法调整电路；

依据LED光效和电流规律或LED芯片的外/内量子效率的曲线，在LED的原电流和光效的情况下，降低LED的电流和提高LED的光效。

2.根据权利要求1所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：

依据LED光效和电流规律的曲线，设串联电路的原电流为I₁，对应的LED光效为E₁，LED光效和电流规律的曲线中最大光效为E₀，对应的电流为I₀，I₁> I₀，E₁ < E₀；

然后根据上述电流I₁和光效E₁的值对电路参数进行调整，降低该串联电路的电流，串联电路中的电流为I₂，此时对应的LED光效为E₂，并满足下面关系

I₂ <I₁，并且E₂> E₁。

3.根据权利要求2所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：所述调整后的电流I₂不高于最大光效E₀对应的电流I₀的3倍。

4.根据权利要求2所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：所述调整后的电流I₂不高于最大光效E₀对应的电流I₀的1.5倍。

5.根据权利要求1所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于按照以下方法串联和并联LED：

首先根据下面条件确定初始电路：

设干路中有n条串联支路，n≥1，每条串联支路设计的原电流为I₁， 该支路中的LED芯片的电流I₁，每条支路的功率为W₁，n条串联支路总功率为W₀，

W₀=n×W₁，

在LED光效和电流曲线中，最高光效点处的电流为I₀，最高光效点处对应的光效为E₀，要求

I₁>I₀；

然后根据下面条件对初始电路进行调整：

在n条串联支路两端再并联m条串联支路，形成（n+m）条串联支路，（n+m）条串联支路总功率为W₂，每条串联支路上的电流为I₂，则要求I₂ <I₁，

在LED光效和电流规律的曲线中，电流I₂对应的光效为E₂，电流I₁对应的光效为E₁，则要求

E₀≥E₂ >E₁，W₂≤W₀。

6.根据权利要求2或5所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：

所述原电流的范围为20mA≤I₁≤30mA或200mA≤I₁≤700mA。

7.根据权利要求1所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：

所述LED照明装置的功率范围为1~20W。

8.根据权利要求5所述的具有稳态量子阱的LED照明装置的生产方法，其特征在于：

所述m=1。

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