CN202425138U - 一种具有热管理功能的led芯片驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，包括LED芯片模块和控制系统；其中，LED芯片模块包括LED发光部分、热敏电阻部分、主动散热部分、金属导热部分和被动散热部分；LED发光部分为倒装结构，热敏电阻部分由以硅为衬底制成，所述LED部分和热敏电阻部分焊接集成；主动散热部分与热敏电阻部分连接，实现LED产生能量的一级散热；所述金属导热部分与主动散热部分连接，实现LED产生能量的二级散热；而被动散热部分与金属导热部分连接，实现LED产生能量的三级散热；控制系统用于对前述LED芯片模块进行散热控制。此结构可有效改善传统LED芯片仅测量散热底座温度，而非直接测量芯片核心温度的弊端。
Description
技术领域
本实用新型属于照明领域，特别涉及一种大功率LED芯片温度检测及散热结构。
背景技术
发光二极管（LED）具有可靠性高、功耗低、寿命长、污染少、抗震能力强等优点，被世界公认为实现节能环保的重要途径之一，已具备替代传统照明光源的潜力。大功率LED光源是半导体照明领域的主要发展方向。
LED芯片节点长时间保持在高温情况下，会使LED光效急剧下降，寿命必然缩短，所以，有效准确测得LED的节点温度，及时反馈到控制电路中，实时调节散热强度和LED工作状态，以致更好保护LED光源是必须解决的问题。
同时，通常LED散热系统采用基本的热管、鳞片、风扇的组合散热方式，这样的被动散热系统散热效率低，散热速度慢，同时不能将芯片降到环境温度以下，不适用于高温工作环境。
鉴于上述问题，本实用新型主要针对LED光源精确温度测量和高效实时散热提供系统改进的温度测量和散热方案。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，其可有效改善传统LED芯片仅测量散热底座温度，而非直接测量芯片核心温度的弊端，实现LED芯片的高效散热。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，包括LED芯片模块和控制系统；
LED芯片模块包括LED发光部分、热敏电阻部分、主动散热部分、金属导热部分和被动散热部分；LED发光部分采用倒装结构，而热敏电阻部分采用以硅为衬底的工艺制成，所述LED发光部分和热敏电阻部分以焊接方式连接；主动散热部分与热敏电阻部分采用粘结或焊接方式连接，实现LED产生能量的一级散热；所述金属导热部分采用粘结、焊接或螺固的形式与主动散热部分连接，实现LED产生能量的二级散热；而被动散热部分采用粘结、焊接或螺固的方式与金属导热部分连接，实现LED产生能量的三级散热；
控制系统包括驱动电路模块、温度控制模块、PWM模块和散热电源模块，其中，驱动电路模块分别与LED发光部分、温度控制模块、PWM模块连接，为其提供恒定的电流驱动；散热电源模块的输入端与热敏电阻部分连接，输出端则分别连接主动散热部分和被动散热部分，所述散热电源模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节加载到主、被动散热部分的电压；温度控制模块的输入端连接热敏电阻部分，输出端连接PWM模块，而PWM模块的输出端连接驱动电路模块，温度控制模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节PWM信号，改变流经LED的电流。
上述主动散热部分采用半导体散热器。
上述被动散热部分采用鳞片、热管及风扇组合而成的散热方式。
上述驱动电路模块包括电源模块、降压模块和DC-DC恒流驱动模块，其中，电源模块将220V交流电转换为直流电，分别送入降压模块和DC-DC恒流驱动模块；降压模块将直流电降压后为PWM模块和温度控制模块供电；DC-DC恒流驱动模块的输入端连接PWM模块，而输出端连接LED发光部分，以产生调节LED发光强度的电流。
采用上述方案后，本实用新型具有以下特点：
（1）本实用新型实施例提供的LED芯片温度准确测量的结构方案，为LED芯片及时散热提供基础；
（2）本实用新型实施例提供了高效散热集成系统、驱动控制电路和过热保护系统，能够保证大功率LED芯片工作温度的实时测量、系统恒流稳定工作，LED散热及时，同时能够最大程度节省电能；
（3）本实用新型能够适用于宽输入电压范围条件，能够调节输出电流范围以满足不同大功率LED应用。
附图说明
图1是本实用新型的整体架构图；
图2是LED芯片模块的结构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。
本实用新型提供一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，包括LED芯片模块和控制系统，下面分别介绍。
首先，如图1和图2所示，LED芯片模块包括LED发光部分、热敏电阻部分、主动散热部分、金属导热部分和被动散热部分，下面分别进行介绍。
LED发光部分为倒装LED结构，而热敏电阻部分采用以硅为衬底的热敏电阻制成，并将LED发光部分和热敏电阻部分以焊接方式连接；通过将传统的LED与热敏电阻集成在一起，可通过热敏电阻直接测量LED的核心温度，热敏电阻部分的制作方法包括如下步骤：
（1）制作硅衬底薄膜热敏电阻，具体的制作步骤如下：
（11）以电阻率为3～6Ω·cm的n/n型硅外延片作衬底；
（12）采用I号液和Ⅱ号液对前述衬底进行清洗，其中，I号液的体积配比为： NH4OH:H2O2:H2O=1:2:5，Ⅱ号液的体积配比为：HCl:H2O2:H2O=1:2:8，然后待衬底干燥，再使用配比为H2O:HF=10:1的HF溶液漂去自然氧化层；
（13）用干氧氧化法热生长厚度为25nm的SiO2膜作绝缘层；
（14）以烧结型 SrTiO3半导体陶瓷作靶材料，氩离子束镀膜技术在室温下保持淀积时真空度为1.33 mpa，在 SiO2/Si衬底上淀积厚度为1um的SrTiO3膜；然后将样片置于高温炉中进行退火，所述高温炉的温度为450℃，在氮气保护下退火20min；
（15）采用蒸铝和光刻技术制成平面型电阻结构，完成热敏电阻部分的制作。
（2）将前述热敏电阻部分与倒装结构的LED发光部分焊接，实现LED发光部分与热敏电阻部分的集成。
主动散热部分以半导体热电制冷方式散热，可采用半导体散热器，其与热敏电阻部分连接，具体是以粘结（利用树脂胶）、焊接的形式与热敏电阻部分连接，从而实现LED产生能量的一级散热。
金属导热部分由LED散热用金属材料制成，其以粘结、焊接或螺固的形式与主动散热部分连接，实现LED产生能量的二级散热。
被动散热部分采用鳞片、热管及风扇组合而成的散热方式，本实用新型通过设置三种不同的散热方式，可根据LED芯片发出热量的具体情况，灵活采取不同的散热方式或者不同散热方式的组合，使散热更高效节能。所述被动散热部分采用粘结、焊接或螺固的方式与金属导热部分连接，通过由金属导热部分传递过来的热量，实现LED产生能量的三级散热。
控制系统用于对前述LED芯片模块进行散热控制，包括驱动电路模块、温度控制模块、PWM模块和散热电源模块，下面分别介绍。
驱动电路模块包括电源模块、降压模块和DC-DC恒流驱动模块，其中，电源模块将220V交流电转换为直流电，分别送入降压模块和DC-DC恒流驱动模块；降压模块将直流电降压后为PWM模块和温度控制模块供电，实施例中是基于LM2576芯片提供5V输出电压；DC-DC恒流驱动模块的输入端连接PWM模块，而输出端连接LED发光部分，根据PWM信号产生调节LED发光强度的电流。
散热电源模块的输入端与热敏电阻部分连接，输出端则分别连接主、被动散热部分，所述散热电源模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节加载到主、被动散热部分上的电压，当LED温度升高时，主、被动散热部分的强度增大。
温度控制模块的输入端连接热敏电阻部分，输出端连接PWM模块，而PWM模块的输出端连接驱动电路模块，温度控制模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节PWM信号，调节占空比和频率，改变流经LED发光部分的电流。
另外，本实用新型的控制方法包括如下步骤：
（1）LED发光部分的温度变化时，热敏电阻部分的阻值随之实时变化，并分别送入散热电源模块和温度控制模块；
（2）散热电源模块根据热敏电阻部分的阻值，根据预设阈值调节加载到主、被动散热部分的电压；
（3）PWM模块输出PWM信号，调节占空比和频率，改变流经LED发光部分的电流。具体而言，在通常情况下，PWM模块可以由外部控制调节PWM信号；而当LED发光部分的温度较高时，在温度控制模块的控制下进行调节，当超过温度控制模块的设定阈值时，温度控制模块根据热敏电阻部分的阻值调节PWM信号，进而调节流经LED发光部分电流的占空比，改变电流。
综上所述，本实用新型的改进点主要体现在：
（1）将LED集成在热敏电阻上，使热敏电阻直接表征LED模块的核心温度，从而有效改善传统LED模块实际是测量散热底座温度、而非直接测量LED模块核心温度的弊端，提供可靠保护LED模块的条件；
（2）将LED与半导体散热器集成，再将整体与被动散热方式连接，采用主、被动散热相结合的散热方式，利用半导体主动散热方式高效的特点，结合被动方式辅助散热，有效改善传统单独被动散热模式在LED芯片散热方面的局限性；
（3）通过检测热敏电阻的阻值来判断LED温度，当温度超过范围较小时，用主被动相结合的散热方式进行散热；当温度超过范围超过最大限值，降低LED电流，通过这样的方式，及时降低LED温度，对LED模块散热，实现保护LED模块、延长使用寿命的目的。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，其特征在于：包括LED芯片模块和控制系统；
LED芯片模块包括LED发光部分、热敏电阻部分、主动散热部分、金属导热部分和被动散热部分；LED发光部分采用倒装结构，而热敏电阻部分采用以硅为衬底的工艺制成，所述LED发光部分和热敏电阻部分以焊接方式连接；主动散热部分与热敏电阻部分采用粘结或焊接方式连接，实现LED产生能量的一级散热；所述金属导热部分采用粘结、焊接或螺固的形式与主动散热部分连接，实现LED产生能量的二级散热；而被动散热部分采用粘结、焊接或螺固的方式与金属导热部分连接，实现LED产生能量的三级散热；
控制系统包括驱动电路模块、温度控制模块、PWM模块和散热电源模块，其中，驱动电路模块分别与LED发光部分、温度控制模块、PWM模块连接，为LED发光部分提供恒定的电流驱动；散热电源模块的输入端与热敏电阻部分连接，输出端则分别连接主动散热部分和被动散热部分，所述散热电源模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节加载到主、被动散热部分的电压；温度控制模块的输入端连接热敏电阻部分，输出端连接PWM模块，而PWM模块的输出端连接驱动电路模块，温度控制模块根据热敏电阻部分的阻值变化调节PWM信号，改变流经LED的电流。
2.如权利要求1所述的一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，其特征在于：所述主动散热部分采用半导体散热器。
3.如权利要求1所述的一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，其特征在于：所述被动散热部分采用鳞片、热管及风扇组合而成的散热方式。
4.如权利要求1所述的一种具有热管理功能的LED芯片驱动系统，其特征在于：所述驱动电路模块包括电源模块、降压模块和DC-DC恒流驱动模块，其中，电源模块将220V交流电转换为直流电，分别送入降压模块和DC-DC恒流驱动模块；降压模块将直流电降压后为PWM模块和温度控制模块供电；DC-DC恒流驱动模块的输入端连接PWM模块，而输出端连接LED发光部分，以产生调节LED发光强度的电流。
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