CN102656947B - 用于基于led的显示器的集成降压电源架构 - Google Patents

用于基于led的显示器的集成降压电源架构 Download PDF

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Abstract

一种系统包括：多个发光二极管(LED)；以及控制模块，配置成生成用于驱动LED的脉宽调制(PWM)脉冲。LED和控制模块集成于集成电路(IC)封装中。

Description

用于基于LED的显示器的集成降压电源架构
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年12月10日提交的第12/965,001号美国申请的优先权，该美国申请要求2009年12月18日提交的第61/288,221号美国临时申请和2010年4月27日提交的第61/328,567号美国临时申请的权益。上述申请的公开内容通过整体引用而结合于此。
技术领域
本公开内容主要地涉及基于LED的显示器并且更具体地涉及用于基于LED的显示器的集成降压(buck)电源架构。
背景技术
这里提供的背景描述是出于总体上呈现公开内容的背景这样的目的。当前署名的发明人的工作在背景技术部分中描述的工作的程度上以及说明书的没有在提交时另外限定为现有技术的方面既未明确也未暗示地承认为相对于本公开内容的现有技术。
发光二极管(LED)的PN结在PN结前向偏置时发光。一般而言，LED能量效率高、可靠、维护少并且对环境友好。因而基于LED的显示器(灯具)使用于多种住宅和商业应用中。例如显示器使用于微波炉、广告标志、工业控制面板、路灯等中。
LED的亮度通常是在PN结前向偏置时经过PN结的前向电流的函数。此外，亮度是PN结的温度(结温度)的函数。在PN结两端施加的前向电压确定经过PN结的前向电流。前向电压也是结温度的函数。
LED控制器基于结温度的改变来控制经过LED的电流。通过控制电流，LED控制器将LED的亮度维持于预定水平。不同类型的开关模式电源(SMPS)用来向LED供应功率。例如SMPS可以包括降压SMPS、升压SMPS、反激SMPS等。
发明内容
一种系统包括多个发光二极管(LED)以及配置成生成用于驱动LED的脉宽调制(PWM)脉冲的控制模块。LED和控制模块集成于集成电路(IC)封装中。
在其它特征中，LED未包封(un-encapsulated)，并且LED相互串联连接。
在其它特征中，LED和控制模块布置于IC封装中的裸片上。裸片包括：陶瓷层，具有第一侧和与第一侧相反的第二侧；以及硅层。LED与陶瓷层的第一侧相邻布置。硅层包括控制模块。硅层与陶瓷层的第二侧相邻。LED电连接到硅层。
在其它特征中，LED使用陶瓷层中的通孔或者使用键合接线来电连接到硅层。
在其它特征中，裸片还包括多个齐纳二极管。齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管连接于LED中的对应的一个LED两端。齐纳二极管与陶瓷层的第一侧相邻布置或者布置于硅层中。
在另一特征中，陶瓷层的第一侧涂有反射材料。
在其它特征中，裸片还包括金属核层，金属核层包括降压电源的电感和电容中的至少一个，降压电源被配置成基于控制模块生成的PWM脉冲向LED供应功率。金属核层布置于硅层的相对于陶瓷层的相反侧上。
在其它特征中，LED布置于IC封装中的第一裸片上，并且控制模块布置于IC封装中的第二裸片上。
在其它特征中，第一裸片还包括多个齐纳二极管。齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管连接于LED中的对应的一个LED两端。
在其它特征中，第二裸片包括：陶瓷层，具有与第一裸片相邻的第一侧和与第一侧相反的第二侧；以及硅层。硅层包括控制模块。硅层与陶瓷层的第二侧相邻。LED电连接到硅层。LED使用键合接线来电连接。
在其它特征中，第二裸片还包括金属核层，金属核层包括降压电源的电感和电容中的至少一个，降压电源被配置成基于控制模块生成的PWM脉冲向LED供应功率。金属核层布置于硅层的相对于陶瓷层的相反侧上。
在其它特征中，IC封装具有与LED相邻的第一侧和与第一侧相反的第二侧。第二侧具有裸焊盘。
在其它特征中，IC封装具有与LED相邻的第一侧和与第一侧相反的第二侧。散热器附着到第二侧。
在另一特征中，IC封装的尺寸基于LED的流明每瓦特额定值来确定。
在另一特征中，IC封装的尺寸与LED的流明每瓦特额定值成反比。
在另一特征中，LED和控制模块被使用单个封装工艺集成于IC封装中。
在更多其它特征中，一种方法包括：在集成电路(IC)封装中布置多个发光二极管(LED)；并且使用控制模块来生成用于驱动LED的脉宽调制(PWM)脉冲。LED和控制模块集成于IC封装中。LED未包封并且相互串联连接。该方法还包括：在IC封装中布置多个齐纳二极管；在LED中的对应的一个LED两端连接齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管；以及使用单个封装工艺在IC封装中集成LED、控制模块和齐纳二极管。
本公开内容的更多适用领域将从具体实施方式、权利要求书和附图中变得清楚。具体实施方式和特定例子旨在仅用于示例而并非旨在限制公开内容的范围。
附图说明
本公开内容将从具体实施方式和以下附图中变得被更完全理解，其中：
图1是用于LED的降压电源的示意图；
图2是用于LED的降压电源的示意图，该示意图示出了晶体管Q、二极管D和LED的集成；
图3是用于LED的降压电源的示意图，该示意图示出了晶体管Q、二极管D、LED和控制模块的集成；
图4是用于LED的线性电源的示意图，该示意图示出了LED串和线性调节器的集成；以及
图5A-5D描绘了集成电路(IC)封装的不同配置，这些封装包括LED和用于LED的降压电源或者线性电源的部件。
具体实施方式
下文描述在性质上仅为示例而决非旨在限制公开内容、它的应用或者用途。为了清楚的目的，相同参考标号将在附图中用来标识相似元件。如这里所用，短语“A、B和C中的至少一个”应当理解为意味着使用非互斥逻辑OR的逻辑(A或者B或者C)。应当理解可以按不同顺序执行方法内的步骤而不改本公开内容的原理。
如这里所用，术语模块可以指代以下各项、是以下各项的部分或者包括以下各项：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或者组)；提供所描述的功能的其它适当部件；或者上述各项中的一些或者全部比如在片上系统中的组合。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或者组)。
术语代码如上文所用可以包括软件、固件和/或微代码并且可以指代程序、例程、函数、类和/或对象。术语共享如上文所用意味着可以使用单个(共享)处理器来执行来自多个模块的一些或者所有代码。此外，来自多个模块的一些或者所有代码可以由单个(共享)存储器存储。术语组如上文所用意味着可以使用处理器组来执行来自单个模块的一些或者所有代码。此外，可以使用存储器组来存储来自单个模块的一些或者所有代码。
现在参照图1，示出了用于LED的典型降压电源100。降压电源100包括控制模块102、晶体管Q、二极管D、电感L、输入电容Cin、输出电容Co和作为负载的LED。电容Cin和Cout以及电感L为降压电源100的无源部件。
AC/DC转换器或者DC/DC转换器(未示出)向降压电源100供应输入电压Vin。降压电源100在LED两端生成输出电压Vo。输入电容Cin对输入电压Vin滤波。输出电容Co对输出电压Vo滤波。
控制模块102使用脉宽调制(PWM)来生成用于在预定占空比驱动晶体管Q的脉冲。当晶体管Q接通时，电流流过电感L、LED和晶体管Q。当晶体管Q关断时，电流流过电感L、LED和二极管D。
在降压电源100中，输入电容Cin和输出电容Co一般为电解电容。电解电容的寿命通常为103小时的数量级。对照而言，LED具有在105至106小时的数量级的典型平均无故障时间(MTBF)。由于电解电容具有比LED更短的寿命，所以利用电解电容的基于LED的显示器往往具有比LED的寿命更短的寿命。
此外，电解电容的大小和电解电容执行的滤波质量与这些电容的值成比例。换而言之，更大电解电容通常用于更大滤波。因而尽管降压电源的一些部件可以集成到集成电路(IC)中，但是电解电容不能集成到IC中。另外，在IC封装中封装降压电源的基于硅的部件涉及与封装LED不同的封装工艺。因而在IC封装中封装LED和降压电源的基于硅的部件可能有问题。
本公开内容涉及使用单个封装工艺以向IC封装中封装LED和降压电源的基于硅的部件。具体而言，未包封的LED(即未用材料(比如树脂或者镜片)包封的LED；换而言之，LED的基于硅的部分)和降压电源的基于硅的部件可以布置于裸片上。裸片封装于IC封装中。
替代地，未包封的LED可以布置于第一裸片上，并且降压电源的基于硅的部件可以布置于第二裸片上。第一裸片使用通孔、接线键合或者其它类型的连接来电连接到第二裸片。第一裸片和第二裸片封装于IC封装中。
在包括未包封的LED的层与包括降压电源的基于硅的部件的硅层之间提供陶瓷层。陶瓷层补偿包括LED的层与硅层的膨胀系数之间的差。此外，可以在IC封装上提供可选散热器或者裸焊盘(E焊盘)以散热。
另外，可以通过使用非电解电容作为降压电源中的输入和输出滤波电容来增加基于LED的显示器的寿命。例如可以使用陶瓷或者薄膜电容而不是电解电容。降压电源的非电解电容和电感可以集成于IC封装的金属核层上。
现在参照图2-4，降压电源的不同部件可以集成于IC封装中。通常，不同封装工艺用来在IC封装中集成不同类型的基于硅的部件。例如第一封装工艺可以用来在IC封装中集成晶体管和二极管，而与第一封装工艺不同的第二封装工艺可以用来在IC封装中集成LED。然而根据本公开内容，单个封装工艺可以用来在IC封装中集成LED和降压电源的其它基于硅的部件。另外，IC封装包括用来实施降压电源的无源部件的金属核层。金属核层也耗散LED和IC封装的其它部件生成的热。金属核层可以包括铝或者铜合金、铁合金或者碳。金属核层的组成依赖于包括IC封装的散热和重量的因素。
例如在图2中，二极管D、晶体管Q和LED可以集成于IC封装中，并且单个封装工艺可以用来在裸片上集成二极管D、晶体管Q和LED。另外，无源部件(即电感L以及电容Cin和Co)可以集成于IC封装的金属核层中。
在图3中，除了二极管D、晶体管Q和LED之外，控制模块102可以集成于裸片上。再一次，单个封装工艺可以用来在裸片上集成二极管D、晶体管Q、LED和控制模块102。另外，无源部件(即电感L以及电容Cin和Co)可以集成于IC封装的金属核层中。
在图2和图3中，电容Cin和Co为非电解电容。例如电容Cin和Co可以包括陶瓷或者薄膜电容。当AC/DC转换器供应输入电压Vin时，可以如下选择输入电容Cin。输入电容Cin可以具有如下值，该值足以保持比输出电压Vo更大的输入电压Vin。当DC/DC转换器供应输入电压Vin时，输入电压Vin大于输出电压Vo。另外，控制模块102可以提供功率因数校正。
在图4中，示出了用于LED串的线性电源200。LED串包括串联连接的多个LED。齐纳二极管(Z)如所示连接于每个LED两端。当连接于齐纳二极管两端的LED出故障时齐纳二极管导通电流。因此，当LED串中的LED出故障时不致使LED串无用。
线性电源200包括线性调节器202。线性调节器202包括控制模块204和晶体管Q。控制模块204生成用于在预定幅度驱动晶体管Q的控制信号。线性调节器202控制经过LED串的电流为常数。
线性调节器202、LED串和齐纳二极管可以集成到IC封装中。线性调节器202、LED串和齐纳二极管可以使用单个封装工艺来集成于裸片上。替代地，LED串可以布置于第一裸片上，并且线性调节器202可以布置于第二裸片上。可以在第一裸片或者第二裸片中包括齐纳二极管。第一裸片使用通孔、接线键合或者其它类型的连接来电连接到第二裸片。第一裸片和第二裸片使用单个封装工艺来封装于IC封装中。
不同于降压电源100，线性电源200不使用电感L、二极管D或者输出电容Co。降压电源200的输入电容Cin可以包括陶瓷或者薄膜电容。输入电容Cin可以集成于IC封装的金属核层中。
现在参照图5A-5D，示出了如下IC封装，所述IC封装包括LED和降压电源100或者线性电源200的一个或者多个部件。所示LED未包封。图5A和5B示出了IC封装，其中LED和降压电源100或者线性电源200的一个或者多个部件布置于单个裸片上。图5C和5D示出了IC封装，其中LED布置于第一裸片上并且降压电源100或者线性电源200的一个或者多个部件布置于第二裸片上。
在图5A-5D中，仅出于示例的目的而示出了参考标号表示的元件。元件未按比例绘制。附图不代表所示元件的实际几何形状。在以下讨论中，图4中所示LED和线性电源200仅用于示例。下文描述的教导也适用于集成图2和图3中所示一个或者多个LED和降压电源100的一个或者多个部件。
在图5A中，IC封装300包括LED 302-1、302-2、...和302-N(统称为LED 302)，其中N为大于1的整数。此外，IC封装300包括陶瓷层304、硅层306、金属核层308和散热器310。散热器310为可选的。LED 302、陶瓷层304、硅层306和金属核层308布置于单个裸片上。
陶瓷层304提供在LED 302与硅层306之间的缓冲。陶瓷层304补偿LED 302与硅层306的膨胀系数之间的差。陶瓷层304的与LED 302相邻的一侧可以涂有反射材料以反射由LED 302发射的光。反射涂层可以例如包括二氧化钛(TiO2)层、银涂层、金属涂层或者镜涂层。
硅层306包括线性电源200的线性调节器202和齐纳二极管(统称为线性电源200的基于硅的部件)。此外，硅层306可以包括用于LED 302和线性电源200的基于硅的部件的静电放电(ESD)保护。LED 302的接触312可以如所示使用陶瓷层304中的具有键合的通孔316来电连接到硅层306的接触314。
金属核层308包括线性电源200的无源部件(例如电容Cin)。散热器310为可选的。替代地，可以使用裸焊盘(E焊盘)(未示出)，该裸焊盘是IC封装的裸露金属板。E焊盘通常镀有与IC封装的引线相同的金属(例如锡)或者合金。E焊盘直接焊接于印刷电路板(PCB)上。E焊盘增加IC封装的功率耗散能力。
在图5B中，IC封装350使用键合接线。LED 302的接触312如下使用键合接线320来电连接到硅层306的接触314。LED 302的接触312使用键合接线320来电连接到陶瓷层304上的接触318。陶瓷层304的接触318如所示使用陶瓷层304中的具有键合的通孔316来电连接到硅层306的接触314。IC封装350包括如参照图5A描述的陶瓷层304、硅层306、金属核层308、可选散热器310等。
在图5C中，IC封装370包括两个裸片。第一裸片372包括如所示连接的LED 302和齐纳二极管303。第二裸片包括陶瓷层304、硅层306(该硅层306包括线性电源200的线性调节器202)和金属核层308。尽管出于示例的目的而示出了两个裸片由虚线375-1和375-2分离，但是两个裸片相互电和/或热接触。散热器310为可选的。替代地，可以使用E焊盘。
LED 302的串的第一端连接到第一裸片372上的接触374。LED302的串的第二端连接到第一裸片372上的接触376。接触374和376如所示使用陶瓷层304中的具有键合的通孔316来分别电连接到硅层306的接触378和380。
在图5D中，IC封装390包括如参照图5C描述的两个裸片。IC封装390使用键合接线。接触374和376使用键合接线396电连接到陶瓷层304上的接触392和394。陶瓷层304的接触392和394如所示使用陶瓷层304中的具有键合的通孔316来电连接到硅层306的接触378和380。
在IC封装300、350、370和390中，LED 302和线性电源200的部件集成于其上的一个或者多个裸片的尺寸(即裸片尺寸)依赖于LED 302的流明每瓦特额定值。因而，IC封装300、350、370和390的尺寸也依赖于LED 302的流明每瓦特额定值。
具体而言，裸片尺寸(和IC封装的尺寸)与LED 302的流明每瓦特额定值成反比。这是因为随着LED 302的流明每瓦特额定值增加，更少LED可以发射期望量的光。由于使用更少LED，所以LED 302生成更少热。因而LED 302的流明每瓦特额定值越高，裸片尺寸以及IC封装300、350、370和390的尺寸就越小。
替代地，当使用流明每瓦特额定值相对低的LED时，更多LED是必要的以发射期望量的光。随着LED 302的数目增加，LED 302生成的热量也增加。因而当使用流明每瓦特额定值相对低的LED时，散热器或者E焊盘可以用来耗散LED 302生成的热。
虽然未示出，但是在IC封装300、350、370和390中，LED 302可以用其它方式(例如使用倒装芯片键合)来电连接到硅层306中的基于硅的部件。另外，作为一类晶片级键合的Au-Sn共晶键合可以用来键合IC封装300、350、370和390的裸片和衬底。衬底是电路形成或者制造于其上的支撑材料。Au-Sn共晶键合提供在裸片与衬底之间的电接触。此外，Au-Sn共晶键合向裸片提供机械支撑并且提高IC封装的散热能力。
可以用各种形式实施公开内容的广义教导。因此，尽管本公开内容包括具体例子，但是不应如此限制公开内容的真实范围，因为其它修改将在研读附图、说明书和所附权利要求书时变得清楚。

Claims (16)

1.一种集成电路封装系统，包括：
多个发光二极管(LED)；以及
控制模块，配置成生成用于驱动所述LED的脉宽调制(PWM)脉冲，
其中所述LED和所述控制模块集成于集成电路(IC)封装中，并且
其中所述LED和所述控制模块布置于所述IC封装中的裸片上，所述裸片包括：
陶瓷层，具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中所述LED与所述陶瓷层的所述第一侧相邻布置；以及
硅层，包括所述控制模块，其中所述硅层与所述陶瓷层的所述第二侧相邻，并且其中所述LED电连接到所述硅层，
其中所述LED使用所述陶瓷层中的通孔来电连接到所述硅层。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述LED未包封，并且其中所述LED相互串联连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述裸片还包括：
多个齐纳二极管，
其中所述齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管连接于所述LED中的对应的一个LED两端，并且
其中所述齐纳二极管与所述陶瓷层的所述第一侧相邻布置或者布置于所述硅层中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述陶瓷层的所述第一侧涂有反射材料。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述裸片还包括：
金属核层，包括降压电源的电感和电容中的至少一个，所述降压电源被配置成基于所述控制模块生成的所述PWM脉冲向所述LED供应功率，
其中所述金属核层布置于所述硅层的相对于所述陶瓷层的相反侧上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述IC封装具有与所述LED相邻的第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中所述IC封装的所述第二侧具有裸焊盘。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述IC封装具有与所述LED相邻的第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中散热器附着到所述IC封装的所述第二侧。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述IC封装的尺寸基于所述LED的流明每瓦特额定值来确定。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述IC封装的尺寸与所述LED的流明每瓦特额定值成反比。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述LED和所述控制模块被使用单个封装工艺集成于所述IC封装中。
11.一种集成电路封装系统，包括：
多个发光二极管(LED)；以及
控制模块，配置成生成用于驱动所述LED的脉宽调制(PWM)脉冲，
其中所述LED和所述控制模块集成于集成电路(IC)封装中，
其中所述LED布置于所述IC封装中的第一裸片上，
其中所述控制模块布置于所述IC封装中的第二裸片上，并且
其中所述第二裸片包括：
陶瓷层，具有与所述第一裸片相邻的第一侧和与所述第一侧相反的第二侧；以及
硅层，包括所述控制模块，其中所述硅层与所述陶瓷层的所述第二侧相邻，并且其中所述LED电连接到所述硅层。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一裸片还包括：
多个齐纳二极管，
其中所述齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管连接于所述LED中的对应的一个LED两端。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述LED使用键合接线来电连接。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二裸片还包括：
金属核层，包括降压电源的电感和电容中的至少一个，所述降压电源被配置成基于所述控制模块生成的所述PWM脉冲向所述LED供应功率，
其中所述金属核层布置于所述硅层的相对于所述陶瓷层的相反侧上。
15.一种集成电路封装系统，包括：
多个发光二极管(LED)；以及
控制模块，配置成生成用于驱动所述LED的脉宽调制(PWM)脉冲，
其中所述LED和所述控制模块集成于集成电路(IC)封装中，并且
其中所述LED和所述控制模块布置于所述IC封装中的裸片上，所述裸片包括：
陶瓷层，具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中所述LED与所述陶瓷层的所述第一侧相邻布置；以及
硅层，包括所述控制模块，其中所述硅层与所述陶瓷层的所述第二侧相邻，并且其中所述LED电连接到所述硅层，
多个齐纳二极管，
其中所述齐纳二极管中的至少一个齐纳二极管连接于所述LED中的对应的一个LED两端，并且
其中所述齐纳二极管与所述陶瓷层的所述第一侧相邻布置或者布置于所述硅层中。
16.一种集成电路封装系统，包括：
多个发光二极管(LED)；以及
控制模块，配置成生成用于驱动所述LED的脉宽调制(PWM)脉冲，
其中所述LED和所述控制模块集成于集成电路(IC)封装中，并且
其中所述LED和所述控制模块布置于所述IC封装中的裸片上，所述裸片包括：
陶瓷层，具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，其中所述LED与所述陶瓷层的所述第一侧相邻布置；以及
硅层，包括所述控制模块，其中所述硅层与所述陶瓷层的所述第二侧相邻，并且其中所述LED电连接到所述硅层，
金属核层，包括降压电源的电感和电容中的至少一个，所述降压电源被配置成基于所述控制模块生成的所述PWM脉冲向所述LED供应功率，
其中所述金属核层布置于所述硅层的相对于所述陶瓷层的相反侧上。
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