EP1269798A1 - Ansteuerung von leuchtdioden (led's) - Google Patents

Ansteuerung von leuchtdioden (led's)

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Publication number
EP1269798A1
EP1269798A1 EP01921322A EP01921322A EP1269798A1 EP 1269798 A1 EP1269798 A1 EP 1269798A1 EP 01921322 A EP01921322 A EP 01921322A EP 01921322 A EP01921322 A EP 01921322A EP 1269798 A1 EP1269798 A1 EP 1269798A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transistor
control circuit
light
emitting diode
circuit according
Prior art date
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Granted
Application number
EP01921322A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1269798B1 (de
Inventor
Werner Ludorf
Peter Hein
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Tridonicatco GmbH and Co KG
Original Assignee
Tridonicatco GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1269798A1 publication Critical patent/EP1269798A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1269798B1 publication Critical patent/EP1269798B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light

Definitions

  • LEDs Light emitting diodes
  • the present invention relates to a control circuit for at least one light-emitting diode.
  • the invention relates generally to the field of light-emitting diodes (LEDs) and - more precisely - to the field of using such LEDs for lighting purposes.
  • LEDs light-emitting diodes
  • the reason for this is, among other things, that the yield (light output per watt) has only recently reached such values that the efficiency of LED lighting devices is satisfactory. In particular, the blue LEDs necessary for the generation of white light have only recently achieved a satisfactory degree of efficiency.
  • FIG. 12 shows a control circuit as it is present in products which are sold by the Color Kinetics company and which essentially correspond to the US patent mentioned.
  • the LED LED is controlled by a constant current source KSQ.
  • the constant current source has a bipolar transistor, the light-emitting diode LED being connected to the collector of an NPN transistor.
  • the emitter of the transistor Ql of the constant current source KSQ is connected to ground by means of an ohmic resistor R2 and is fed back via the PWM circuit for regulating the current to the control connection of the transistor Ql.
  • the NPN transistor represents a switchable current drain (also known as a current sink or "current sink” in English).
  • the diode current is detected by means of the ohmic resistor R2 and regulated to a setpoint value by changing the base voltage.
  • a pulse width modulated (PWM) signal is applied to the base connection of the transistor Q1 for dimming the light-emitting diode LED.
  • PWM pulse width modulated
  • a control circuit is therefore provided for at least one light-emitting diode, which has a constant current source.
  • the constant current source has an operational amplifier, the output of which is connected to the control connection of an (external) transistor.
  • the light-emitting diode is connected in series with a first output-side connection of the transistor.
  • a second output-side connection of the transistor is fed back to the inverting input of the operational amplifier.
  • a component is provided on the feedback side of the transistor that raises the potential of the feedback side of the transistor by at least the value of an offset voltage of the operational amplifier if no or only an infinitesimal current flows through the light-emitting diode.
  • this definition also includes a component that always increases the potential on the feedback side of the transistor by a predetermined value greater than or equal to the offset voltage of the operational amplifier.
  • a component is typically a voltage source.
  • the component on the feedback side can be a further diode and in particular a light-emitting diode, which converts the voltage drop and the current flow into a further light output.
  • the light-emitting diode on the feedback side is advantageously a red light-emitting diode, since the forward voltage of red light-emitting diodes is lower than that of green or blue light-emitting diodes.
  • a drive circuit for a light-emitting diode which has a constant current source with a transistor.
  • the light emitting diode is connected in series to a first output-side connection of the transistor.
  • a second connection on the output side of the transistor is fed back to the control connection (base or gate) of the transistor.
  • a further light-emitting diode is provided on the feedback side of the transistor.
  • This further light-emitting diode can be connected in series to form an ohmic resistor.
  • the further light-emitting diode is advantageously a red light-emitting diode, the advantages of which have already been explained above.
  • the transistor can be a bipolar transistor.
  • pulse width modulated voltage signals can be applied to the control terminal of the transistor.
  • the at least one light-emitting diode is then dimmed by changing the pulse duty factor and / or the frequency of the pulse width modulated (PWM) voltage signals at the control connection of the transistor.
  • PWM pulse width modulated
  • the control circuit consists at least partially of a multi-layer circuit in which passive components - for example resistors, conductor tracks and the like - are integrated.
  • passive components for example resistors, conductor tracks and the like - are integrated.
  • This integration is possible in particular if the light-emitting diodes are operated at high frequencies, since then correspondingly lower capacitance or inductance values can be used in the circuit.
  • a frequency range from 200 kHz to 1 MHz has proven to be particularly suitable.
  • An increased radiation of electromagnetic high-frequency fields, which is initially caused by the frequency increase can be avoided by suitable shielding measures which, owing to the reduced dimensions of the circuit, can be carried out simply.
  • the integration of components can take place, for example, using a multilayer printed circuit board technology.
  • the multilayer circuit is preferably implemented by an LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) structure, which consists of a plurality of low-sintered ceramic layers or foils arranged one above the other, between which there are conductor tracks.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramic
  • this miniaturization of the circuit can be achieved again with this LTCC technology, which has been newly developed in recent years and is known, for example, from EP 0 581 206 A2.
  • inductors and capacitors in particular can also be integrated into the multilayer circuit.
  • the ceramic material has the advantage that it conducts heat relatively well, which means that larger outputs can be achieved with the same construction volume, since heat loss is better radiated.
  • the heat dissipation is preferably increased again by embedding the ceramic structure in a metallic housing. In this way, an effective shielding of the high-frequency fields emitted by the control circuit into the environment can also be achieved.
  • the semiconductor modules are preferably mounted on the ceramic substrate using the known flip-chip (FC) technology.
  • FC flip-chip
  • a plastic layer is introduced between the semiconductor, which is mounted without a housing, and the contacts on the surface of the carrier substrate, which on the one hand is electrically conductive perpendicular to the contacting plane and is insulating in the contacting plane, and on the other hand, which results from a different thermal expansion of the semiconductor assembly and the ceramic substrate Absorbs voltages and thus prevents destruction of the semiconductor module.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a drive circuit for an LED
  • LEDs light emitting diodes
  • R, G, B Array with light emitting diodes
  • FIG. 3 shows a modification of the embodiment of FIG. 2,
  • 5a-10 show the manufacturing steps of a multilayer ceramic (LTCC)
  • Fig. 12 shows a control circuit for a light emitting diode according to the prior art
  • FIG. 1 a general view of a drive circuit for LED arrays, i.e. more specifically, of arrays with LEDs of different colors (R, G, B) are explained.
  • An AC / DC converter provides an essentially regulated output voltage V +.
  • a constant current source KSQ_R, KSQ_G, KSQ B is provided for each of the different colors of LEDs (R, G, B), which are controlled by a PWM (pulse width modulation) control circuit PWM_R, PWM_G or PWM_B. It is also possible to provide a constant current source for LED arrays of different colors.
  • the PWM control circuits PWM_R, PWM G, PWM_B are supplied with an external control signal, for example from a bus, which specifies dimming positions for the various LED arrays LED_R, LED_G and LED_B.
  • FIG. 2 shows a control circuit for at least one LED 1, which uses an operational amplifier OP.
  • the current flow through the LED1 corresponds to the current flow through the emitter resistor R3.
  • the output of the operational amplifier OP is connected to the control terminal of the external transistor Ql.
  • the output of the operational amplifier is connected to the base of an NPN bipolar transistor Q1.
  • the feedback causes the voltage difference V r -V IN at the emitter resistor R3 on, so that the current through the resistor R3 and thus through the LED LED1 (the base current is negligible)
  • the potential of the negative feedback side of transistor Ql is raised by a constant current source V c .
  • the potential increase is at least as large as an average offset voltage, as typically occurs in operational amplifiers, and is therefore in the range of at least about 2 mV.
  • the circuit of FIG. 2 has the following advantages when dimming the light-emitting diode LED by means of pulse width modulated signals (PWM signals):
  • the potential on the negative feedback (emitter) side of the transistor Ql is raised to a higher potential than the potential of the control terminal.
  • the potential of the emitter of the transistor Q1 is therefore at a higher potential than the base of the transistor Q1, so that any current flow is reliably prevented (the “diode” base-emitter blocks).
  • the voltage V must be a significantly above the potential of the constant voltage source V c during the ON phases of the PWM signals.
  • FIG. 3 shows a modification of the embodiment of Figure 2, in which instead of the constant voltage source V c an electronic component with non-linear current Voltage characteristic, ie more precisely, a diode LED2 is used.
  • a component is used on the feedback side of the transistor, which at zero current or infinitesimally small current through the light-emitting diode LED1 already raises the potential on the feedback side.
  • this component can be a diode and in particular a light-emitting diode LED2, which serves to increase the light generation of the LED arrangement.
  • This further light-emitting diode LED2 on the feedback side of the transistor can serve as a complete or, as shown in FIG. 3, partial replacement of the current detector resistor R3 in the constant current source.
  • the second LED2 on the feedback side of the transistor Q1 represents a current detector light-emitting diode, so to speak.
  • This component which causes a voltage rise on the feedback side at zero current or very low current, reliably suppresses the current flow through the LED1 in the switch-off phases.
  • any component that has a very large resistance value in the area of low currents can be used.
  • the LED 1 which, in the case of constant current sources KSQ with operational amplifier OP, in the switch- off phases T off of the controlling PWM signals, which varies for dimming the LED arrays will occur due to offset voltages of the operational amplifier OP.
  • the residual LED currents hinder the implementation of low dimming levels.
  • the emitter or source potential of the bipolar or MOSFET transistor is raised according to the invention by means of a voltage source to such an extent that the offset voltages of the operational amplifier are compensated or overcompensated during the switch- off phase T off .
  • FIG. 4 shows another aspect of the present invention.
  • the state of the art shown in FIG. 5 is again assumed, and in so far as the components are the same, reference is made to the detailed description of FIG. 5.
  • the current detector resistor on the feedback side is partially replaced by a light-emitting diode LED2, which converts part of the voltage occurring on the feedback side into light.
  • the light yield is thus improved while reducing the heat development.
  • the current detector resistor R2 in the feedback loop can alternatively also be completely replaced by the LED2.
  • red light-emitting diode As light-emitting diode LED2 in the feedback loop, since the forward voltage, i.e. the necessary voltage drop across the diode, which is minimally necessary for the light to be emitted by the light-emitting diode, is lower for red light-emitting diodes than for green, blue or white.
  • control circuits according to the invention will now be discussed below, which is particularly suitable when using control frequencies in the range from 200 kHz to 1 MHz.
  • the LTCC multilayer circuit already mentioned is ideal for integrating the passive components. The production of such a ceramic multilayer structure will now be explained with reference to FIGS. 5a-10.
  • the basic building block of an LTCC structure is an approx. 100-130 ⁇ m thick, low-sintering ceramic film - for example made of aluminum oxide, which is mixed with glass particles and other filler material - as shown in plan view in FIG. 5a.
  • the first processing step consists in punching via holes 11 in the ceramic film 10.
  • 5b shows the correspondingly processed ceramic film 10 in section I-I of FIG. 5a.
  • the diameter of the via holes 11 is approximately 250 ⁇ m.
  • the plated-through holes 11 are then filled with a conductive material, usually with a conductor paste, which contains a relatively high solids content.
  • 10 conductor tracks 12 are then printed on the top of the ceramic film (FIG. 7). This is usually done using a screen printing process. Silver, silver / palladium, gold or copper pastes are used for the plated-through holes and for the conductor tracks. In order to avoid deflections, the material composition of the conductor pastes is selected such that they shrink to the same extent as the ceramic layers 10 themselves during subsequent sintering.
  • the processing steps just described are first carried out separately for each ceramic film 10.
  • the individual layers of punched and printed ceramic films 10 are then stacked and aligned as shown in FIG. 8. They are then stacked in a press mold and laminated with the application of heat and pressure, so that a coherent ceramic structure is formed. This is finally sintered into a high-strength ceramic structure, a homogeneous ceramic substrate 13 with a connected interconnect network 14 being integrated therein, as shown in FIG. 9.
  • the components that cannot be integrated into the ceramic circuit for example various semiconductor assemblies 15, are then attached and contacted on the upper side of the ceramic substrate 13.
  • conductor tracks 16 can also be subsequently applied to the upper side.
  • the entire complex is provided with connections and surrounded by a metallic housing, which on the one hand increases heat dissipation and on the other hand shields the high-frequency electromagnetic fields that arise during operation.
  • FIG. 11 again shows an area of the LTCC structure in section on an enlarged scale.
  • the dividing lines between the individual original ceramic layers are also shown, even if — as described above — a homogeneous ceramic structure 13 is formed after the lamination and sintering.
  • the vertically running conductor tracks 11, which are formed by the via holes punched out in the first method step can also extend over several levels.
  • the main advantage of using an LTCC structure is that not only conductor tracks 11 or 12 but also other passive components can be integrated in the multilayer circuit. In the course of the processing step shown in FIG.
  • an inductance within the ceramic structure 13 could be realized by a spiral-like conductor track printed on an individual ceramic layer 10. However, it would also be conceivable to distribute the different windings of the inductance over several conductor track levels. Such structures are also called planar inductors. To increase the inductance, an opening or recess could also be provided in the ceramic substrate 13, which is filled with a suitable core material, for example ferrite.
  • the operational amplifier is formed by a semiconductor module 15, which cannot be integrated into the ceramic layer 13.
  • semiconductor assemblies 15 are then preferably contacted on the upper side of the multilayer circuit 13 by means of flip-chip technology.
  • an anisotropically electrically conductive plastic is introduced between the top of the ceramic substrate 13 and the unhoused semiconductor circuit 15, which is electrically conductive perpendicular to the flip-chip contacting plane and has an insulating effect in the contacting plane.
  • the plastic contains, for example, irregularly shaped metal pieces or else smaller balls or fibers, which bring about contact between the surface contacts 18 of the ceramic substrate 13 and the connection pads 17 of the semiconductor assembly 15. Furthermore, this plastic 18 also absorbs voltages which can result from a different thermal expansion of the ceramic material and the semiconductor module 15.
  • This flip-chip technology enables a very high contact density, so that it also contributes to a volume reduction of the entire circuit.
  • the light-emitting diodes themselves can also be applied to the top of the multilayer circuit 15 using this technology.
  • resistors 22 or inductances of the circuit can also be arranged on the surface as discrete parts.

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Description

Ansteuerung von Leuchtdioden (LED's)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Leuchtdioden (LED's) und - genauer gesagt - auf das Gebiet der Verwendung von derartigen LED's zu Beleuchtungszwecken. Obwohl die Verwendung von LED's für Anzeige (Display)- Anwendungen seit langem bekannt ist, hat sich die Verwendung dieser Leuchtdioden für Beleuchungszwecke erst in letzter Zeit entwickelt. Der Grund dafür ist u.a., daß die Ausbeute (Lichtleistung pro Watt) erst in letzter Zeit derartige Werte erreicht hat, daß der Wirkungsgrad von LED-Beleuchtungseinrichtungen zufriedenstellend ist. Insbesondere die für die Erzeugung von weissem Licht notwendigen blauen LED's haben erst in letzter Zeit einen befriedigenden Wirkungsgrad erreicht.
Die Verwendung von LED's zu Beleuchungszwecken, insbesondere in einer Matrixanordnung, um somit einen Art Strahler zu bilden, ist beispielsweise aus dem US-Patent US-A-6 016 038 bekannt.
Figur 12 zeigt eine Ansteuerschaltung, wie sie in Produkten vorliegt, die von der Firma Colour Kinetics vertrieben werden und die im wesentlichen dem genannten US-Patent entsprechen.
Die Leuchtdiode LED wird dabei mit einer Konstantstromquelle KSQ angesteuert. Die Konstantstromquelle weist einen Bipolartransistor auf, wobei die Leuchtdiode LED mit dem Kollektor eines NPN-Transistors verbunden ist. Der Emitter des Transistors Ql der Konstantstromquelle KSQ ist mittels eines Ohm'schen Widerstands R2 mit Masse verbunden und über die PWM-Schaltung zur Regelung des Stroms zum Steueranschluss des Transistors Ql zurückgekoppelt. Der NPN-Transistor stellt einen schaltbaren Stromabfluß (auch als Stromsenke oder auf Englisch "current sink" bezeichnet) dar. Mittels des Ohm'schen Widerstandes R2 wird der Diodenstrom erfaßt und mittels Änderung der Basisspannung auf einen Sollwert geregelt.
Wie in Figur 12 ersichtlich und insbesondere auch aus der US-A-6 016 038 bekannt, wird zum Dimmen der Leuchtdiode LED ein Impulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal an den Basisanschluß des Transistors Ql gelegt. Der Vorteil des PWM-Signals ist, daß die Leuchtdiode LED, die Änderungen des Stromflusses praktisch instantan umsetzt, entweder voll oder gar nicht angesteuert ist. In diesen Zuständen ist der Wirkungsgrad deutlich größer im Vergleich zu Zwischenwerten, in denen ein Diodenstrom zwischen Null und maximalem Stromfluß durch die Leuchtdiode LED fließt. Zum Dimmen, das durch ein externes Steuersignal an einer PWM-Steuerschaltung vorgegeben wird, wird gemäß dem genannten US-Patent das Tastverhältnis des PWM-Signals an dem NPN- Transistor Ql (bei konstanter Frequenz) verändert. Durch Erhöhung der Totzeiten des PWM-Signals wird die für das menschliche Auge wahrnehmbare Leuchtkraft der LED gedimmt.
Allgemein besteht bei der Verwendung von LED's zu Beleuchtungszwecken das Problem hoher Wärmeentwicklung, da die LED's und die zugehörigen Ansteuerschaltungen (Konstantstromquelle etc.) sehr dicht in die Matrixanordnungen gepackt werden müssen, um eine ausreichende Leuchtkraft zu erreichen. Ein Problem stellt dabei auch die Wärmeentwicklung an dem Stromfühler-Meßwiderstand R2 dar, der emitterseitig in die Gegenkopplung der Konstantstromquelle geschaltet ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung für Leuchtdioden mit Konstantstromquellen auf der Rückkopplungsseite des Transistors der Konstantstromquelle zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst, die jeweils effizienzsteigernde Maßnahmen auf der Rückkopplungsseite des Transistors vorschlagen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist also eine Ansteuerschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode vorgesehen, die eine Konstantstromquelle aufweist. Die Konstantstromquelle weist einen Operationsverstärker auf, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß eines (externen) Transistors verbunden ist. Die Leuchtdiode ist mit einem ersten ausgangsseitigen Anschluß des Transistors in Serie geschaltet. Ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors ist zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgekoppelt. Erfindungsgemäß ist auf der Rückkopplungsseite des Transistors ein Bauteil vorgesehen, daß das Potential der Rückkopplungsseite des Transistors wenigstens um den Wert einer Offsetspannung des Operationsverstärkers anhebt, wenn durch die Leuchtdiode kein bzw. nur ein infinitesimaler Strom fließt.
Selbstverständlich ist durch diese Definition auch ein Bauteil umfaßt, daß das Potential auf der Rückkopplungsseite des Transistors immer um einen vorbestimmten Wert größer oder gleich der Offsetspannung des Operationsverstärkers anhebt. Ein solches Bauteil ist typischerweise eine Spannungsquelle. Alternativ kann das Bauteil auf der Rückkopplungsseite eine weitere Diode und insbesondere eine Leuchtdiode sein, die dem Spannungsabfall und den Stromfluß in eine weitere Lichtleistung umsetzt. Vorteilhafterweise ist die Leuchtdiode auf der Rückkopplungsseite eine rote Leuchtdiode, da die Flußspannung von roten Leuchtdioden niedriger ist als die von grünen oder blauen Leuchtdioden.
Das genannte Bauteil kann in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand geschaltet sein. Der Ohm 'sehe Widerstand sorgt für einen gewissen Linearanteil der Rückkopplungsseite. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ansteuerschaltung für eine Leuchtdiode vorgesehen, die eine Konstantstromquelle mit einem Transistor aufweist. Die Leuchtdiode ist in Serie zu einem ersten ausgangsseitigen Anschluß des Transistors geschaltet. Ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors ist dem Steueranschluß (Basis bzw. Gate) des Transistors zurückgekoppelt. Auf der Rückkopplungsseite des Transistors ist eine weitere Leuchtdiode vorgesehen.
Diese weitere Leuchtdiode kann insbesondere in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand geschaltet sein. Vorteilhafterweise ist die weitere Leuchtdiode eine rote Leuchtdiode, deren Vorteile bereits oben erläutert wurden. Der Transistor kann ein Bipolartransistor sein. An den Steueranschluß des Transistors können insbesondere Impulsbreitenmodulierte Spannungssignale angelegt werden. Das Dimmen der wenigstens einen Leuchtdiode erfolgt dann durch eine Änderung des Tastverhältnisses und/oder der Frequenz der Impulsbreitenmodulierten (PWM) Spannungssignale an dem Steueranschluß des Transistors.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft Maßnahmen, durch welche die Ansteuerschaltung in ihren Abmessungen möglichst kompakt gehalten werden kann. Um dies zu erreichen, besteht die Ansteuerschaltung zumindest teilweise aus einer Mehr lagenschal tung, in die passive Bauelemente - z.B. Widerstände, Leiterbahnen und dergleichen - integriert sind. Diese Integration ist insbesondere dann möglich, wenn die Leuchtdioden mit hohen Frequenzen betrieben werden, da dann in der Schaltung entsprechend niedrigere Kapazitäts- bzw. Induktivitätswerte verwendet werden können. Im vorliegenden Fall hat sich ein Frequenzbereich von 200 kHz bis 1 MHz als besonders geeignet herausgestellt. Eine durch die Frequenzerhöhung zunächst bedingte erhöhte Abstrahlung von elektromagnetischen Hochfrequenz-Feldern kann durch geeignete Abschirmmaßnahmen vermieden werden, die - aufgrund der reduzierten Abmessungen der Schaltung - einfach vorgenommen werden können. Die Integrierung von Bauelementen kann beispielsweise durch eine mehrlagige Leiterplatten-Technik erfolgen. Vorzugsweise wird die Mehrlagenschaltung durch eine LTCC- (Low Temperature Cofired Ceramic) Struktur realisiert, welche aus mehreren übereinander angeordneten niedrig-sinternden Keramikschichten oder -folien besteht, zwischen denen sich Leiterbahnen befinden. Gegenüber der herkömmlichen Leiterplattentechnik kann mit dieser in den letzten Jahren neu entwickelten und beispielsweise aus der EP 0 581 206 A2 bekannten LTCC-Technik eine nochmalige Miniaturisierung der Schaltung erreicht werden. Dabei können neben den Leiterbahnen insbesondere auch Induktivitäten und Kapazitäten in die Mehrlagenschaltung integriert werden. Ferner bietet das Keramik-Material den Vorteil, daß es Wärme relativ gut leitet, was bedeutet, daß bei gleichem Bauvolumen größere Leistungen erzielt werden können, da Verlustwärme besser abgestrahlt wird. Vorzugsweise wird die Wärmeableitung durch Einbetten der Keramikstruktur in ein metallisches Gehäuse nochmals erhöht. Auf diese Weise kann auch eine effektive Abschirmung der von der Ansteuerschaltung in die Umgebung abgestrahlten Hochfrequenz-Felder erzielt werden.
Bei den oben genannten Frequenzen kann ein Großteil der Bauelemente der Ansteuerschaltung in die Mehrlagenschaltung integriert werden. Die verbleibenden passiven Bauelemente sowie Halbleiter-Baugruppen sind allerdings nach wie vor an der Oberfläche bzw. außerhalb der Keramikstruktur anzubringen. Um auch hierfür einen möglichst geringen Platzbedarf zu erzielen, werden die Halbleiter-Baugruppen vorzugsweise mittels der bekannten Flip-Chip- (FC) Technik auf dem Keramiksubstrat montiert. Dabei wird zwischen dem gehäuselos montierten Halbleiter sowie den Kontakten auf der Oberfläche des Trägersubstrats eine Kunststoffschicht eingebracht, die zum einen senkrecht zur Kontaktierungsebene elektrisch leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend wirkt und die zum anderen die sich bei einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Halbleiterbaugruppe und des Keramiksubstrats ergebenden Spannungen aufnimmt und somit eine Zerstörung der Halbleiterbaugruppe verhindert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und Bezug nehmend auf die begleitenden Figuren der anliegenden Zeichnungen näher ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ansteuerschaltung für ein LED-
Array mit Leuchtdioden (LED's) verschiedener Farben (R, G, B), Fig. 2 zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, bei dem auf der Rückkopplungsseite der Konstantstromquelle eine Verbesserung vorgenommen wurde, die Vorteile beim Dimmen bringt,
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles von Figur 2,
Fig. 4 zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung,
Fig. 5a- 10 zeigen die Fertigungsschritte einer Mehrlagen-Keramik- (LTCC)
Struktur,
Fig. 11 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer LTCC-Struktur, und
Fig. 12 zeigt eine Ansteuerschaltung für eine Leuchtdiode gemäß dem Stand der
Technik.
Bezug nehmend auf Figur 1 soll zuerst ein allgemeine Ansicht einer Ansteuerschaltung für LED-Arrays, d.h. genauer gesagt, von Arrays mit Leuchtdioden verschiedener Farben (R, G, B) erläutert werden. Ein AC/DC-Konverter stellt eine im wesentlichen geregelte Ausgangsspannung V+ bereit. Im ersten Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist für jede der verschiedenen Farben an LED's (R, G, B) eine Konstantstromquelle KSQ_R, KSQ_G, KSQ B vorgesehen, die von einer PWM (Impulsbreitenmodulation)- Steuerschaltung PWM_R, PWM_G bzw. PWM_B angesteuert werden. Es ist auch möglich, eine Konstantstromquelle für LED-Arrays verschiedener Farben bereitzustellen. Den PWM-Steuerschaltungen PWM_R, PWM G, PWM_B wird ein externes Steuersignal, beispielsweise von einem Bus her zugeführt, das Dimmstellungen für die verschiedenen LED-Arrays LED_R, LED_G bzw. LED_B vorgibt.
Figur 2 zeigt eine Ansteuerschaltung für wenigstens eine LED 1 , die einen Operationsverstärker OP verwendet.
Der Stromfluß durch die Leuchtdiode LED1 entspricht dem Stromfluß durch den Emitterwiderstand R3.
Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist mit dem Steueranschluß des externen Transistors Ql verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors Ql verbunden. Durch die Rückkopplung liegt an dem Emitterwiderstand R3 die Spannungsdifferenz Vr-VEIN an, so daß der Strom durch den Widerstand R3 und somit durch die Leuchtdiode LED1 (der Basisstrom ist vernachlässigbar klein)
I = (VC-VE1N) /R3)
beträgt.
Das Potential der Gegenkopplungsseite des Transistors Ql ist durch eine Konstantstromquelle Vc angehoben. Die Potentialanhebung ist dabei wenigstens so groß wie eine durchschnittliche Offsetspannung, wie sie bei Operationsverstärkern typischerweise auftritt und liegt daher im Bereich von wenigstens etwa 2 mV.
Die Schaltung von Figur 2 hat folgende Vorteile beim Dimmen der Leuchtdiode LED mittels Impulsbreitenmodulierter Signale (PWM-Signale):
Wenn die Konstantstromquelle Vc auf der Gegenkopplungsseite des Transistors nicht vorgesehen sein würde, könnte in der Ausschaltzeit der PWM-Signale (in denen Vein = 0 ist) eine Offsetspannung an den Steueranschluß (Basis des Transistors Ql) anliegen. Somit wäre der Transistor Ql , wenn auch nur sehr gering, leitend und ein geringer Strom würde auch in diesen Ausschaltphasen durch die Leuchtdiode LED1 fließen. Somit wäre die Leuchtdiode LED1 auch in den Ausschaltphasen unbeabsichtigterweise nicht ausgeschaltet. Im Ergebnis lassen sich durch die Offsetspannung somit nicht unbegrenzt kleine Dimmstufen erreichen, da die Offsetspannung ohne Vorsehen der Konstantstromquelle Vc immer für einen kleinen Stromfluß durch die Leuchtdiode LED1 sorgt.
Mittels der Konstantstromquelle Vc auf der Gegenkopplungsseite (Emitterseite) des Transistors Ql wird das Potential auf der Gegenkopp lungs (Emitter) -seite des Transistors Ql auf ein höheres Potential als das Potential des Steueranschlusses angehoben. Im Beispiel von Figur 2 liegt somit das Potential des Emitters des Transistors Ql auf einem höheren Potential als die Basis des Transistors Ql , so daß jeglicher Stromfluß sicher unterbunden wird (die "Diode" Basis-Emitter sperrt). Im Ergebnis wird somit in den Ausschaltphasen der PWM-Signale jeglicher Stromfluß unterbunden, so daß die Leuchtdiode LED1 sicher ausgeschaltet ist. Selbstverständlich muß die Spannung Vein während der Einschaltphasen der PWM-Signale deutlich über dem Potential der Konstantspannungsquelle Vc liegen.
Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles von Figur 2, bei der anstelle der Konstantspannungsquelle Vc ein elektronisches Bauteil mit nichtlinearer Strom- Spannungscharakteristik, d.h. genauer gesagt, eine Diode LED2 eingesetzt wird. Allgemein wird auf der Rückkopplungsseite des Transistors ein Bauteil verwendet, das bei Nullstrom bzw. infinitesimal kleinem Strom durch die Leuchtdiode LED1 bereits ein Anheben des Potentials an der Rückkopplungsseite bewirkt. Wie in Figur 3 gezeigt, kann dieses Bauteil eine Diode und insbesondere eine Leuchtdiode LED2 sein, die zur Steigerung der Lichterzeugung der LED-Anordnung dient. Diese weitere Leuchtdiode LED2 auf der Rückkopplungsseite des Transistors kann als vollständiger bzw. wie in Figur 3 gezeigt, teilweiser Ersatz des Stromdetektor-Widerstands R3 in der Konstantstromquelle dienen. Die zweite LED2 auf der Rückkopplungsseite des Transistors Ql stellt sozusagen eine Stromdetektor-Leuchtdiode dar.
Durch dieses Bauteil, das bei Nullstrom oder sehr kleinem Strom einen Spannungsanhub auf der Rückkopplungsseite bewirkt, wird der Stromfluss durch die Leuchtdiode LED1 in den Auschaltphasen sicher unterdrückt.
Neben der Spannungsquelle und der Diode kommt jedes Bauteil in Frage, das im Bereich geringer Ströme einen sehr großen Widerstandswert aufweist.
Gemäß dem Aspekt der Erfindung, wie er in Figur 2 und 3 dargestellt wird, werden Restströme durch die LED 1 verhindert, die bei Konstantstromquellen KSQ mit Operationsverstärker OP in den Ausschaltphasen Toff der steuernden PWM-Signale, die zum Dimmen der LED-Arrays variiert werden, bedingt durch Offsetspannungen des Operationsverstärkers OP auftreten. Gerade in unteren Dimmbereichen behindern die LED-Restströme die Realisierung niedriger Dimmstufen. Zur Reduktion dieser Ströme wird gemäß der Erfindung das Emitter- bzw. Source-Potential des Bipolar- bzw. MOS- FET-Transistors mittels einer Spannungsquelle soweit angehoben, daß die Offsetspannungen des Operationsverstärkers während der Ausschaltphase Toff kompensiert bzw. überkompensiert werden.
Figur 4 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Dabei wird wiederum von dem in Figur 5 dargestellten Stand der Technik ausgegangen, und insoweit sich die Bauteile gleichen, wird auf die eingehende Beschreibung von Figur 5 verwiesen. In Figur 4 ist bei einer Ansteuerschaltung mit einer Konstantstromquelle KSQ mit reiner Stromgegenkopplung (ohne Operationsverstärker OP) der Stromdetektor-Widerstand an der Rückkopplungsseite teilweise durch eine Leuchtdiode LED2 ersetzt, die einen Teil der auf der Rückkopplungsseite anfallenden Spannung in Licht umwandelt. Es wird somit die Lichtausbeute unter Verringerung der Wärmeentwicklung verbessert. Auch wenn ein nur teil weiser Ersatz des Ohm'schen Widerstandes R2 hinsichtlich der Linearität der Rückkopplungsschleife vorteilhaft ist, kann der Stromdektektor- Widerstand R2 in der Rückkopplungsschleife alternativ auch vollständig durch die LED2 ersetzt werden.
Es bietet sich bei den Ausführungsbeispielen von Figur 3 bzw. Figur 4 an, als Leuchtdiode LED2 in der Rückkopplungsschleife eine rote Leuchtdiode zu verwenden, da die Flußspannung, d.h. der notwendige Spannungsabfall an der Diode, der minimal für eine Aussendung von Licht durch die Leuchtdiode notwendig ist, bei roten Leuchtdioden niedriger ist als bei grünen oder blauen bzw. weißen.
Im folgenden soll nunmehr auf den strukturellen Aufbau der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltungen eingegangen werden, der sich insbesondere bei der Verwendung von Steuerfrequenzen im Bereich von 200 kHz bis 1 MHz anbietet. Für die Integrierung der passiven Bauelemente bietet sich die bereits erwähnte LTCC-Mehrlagenschaltung an. Die Herstellung einer derartigen Keramik-Mehrlagenstruktur soll nun anhand der Figuren 5a-10 erläutert werden.
Den Grundbaustein einer LTCC-Struktur bildet eine ca. 100-130 μm dicke niedrig sinternde Keramikfolie - beispielsweise aus Aluminiumoxid, das mit Glaspartikeln und weiterem Füller-Material vermischt ist - wie sie in Fig. 5a in Draufsicht gezeigt ist. Der erste Bearbeitungsschritt besteht darin, in die Keramikfolie 10 Durchkontaktierungslöcher 11 zu stanzen. Fig. 5b zeigt die entsprechend bearbeitete Keramikfolie 10 im Schnitt I-I der Fig. 5a. Vor dem Brennprozess beträgt der Durchmesser der Durchkontaktierungslöcher 11 in etwa 250 μm. Im nächsten in den Figuren 6a und 6b dargestellten Arbeitsschritt werden die Durchkontaktierungslöcher 11 dann mit einem leitfähigem Material, üblicherweise mit einer Leiterpaste, die einen relativ hohen Feststoffanteil enthält, gefüllt.
Entsprechend der gewünschten schaltungstechnischen Struktur werden dann auf die Oberseite der Keramikfolie 10 Leiterbahnen 12 aufgedruckt (Fig. 7). Dies erfolgt üblicherweise mittels Siebdruckverfahren. Dabei werden für die Durchkontaktierungen und für die Leiterbahnen Silber-, Silber/Palladium-, Gold- oder Kupferpasten verwendet. Um Durchbiegungen zu vermeiden wird die Materialzusammensetzung der Leiterpasten so gewählt, daß diese beim späteren Sintern in gleichem Maße wie die Keramikschichten 10 selbst schrumpfen.
Die eben beschriebenen Bearbeitungsschritte werden zunächst für jede Keramikfolie 10 getrennt durchgeführt. Die einzelnen Lagen gestanzter und bedruckter Keramikfolien 10 werden dann übereinander angeordnet und ausgerichtet, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Anschließend werden sie in einer Pressform gestapelt und unter Zuführung von Wärme und Druck laminiert, so daß sich eine zusammenhängende Keramikstruktur bildet. Diese wird schließlich zu einer hochfesten Keramikstruktur gesintert, wobei sich - wie in Fig. 9 gezeigt ist - ein homogenes Keramiksubstrat 13 mit einem darin integrierten zusammenhängenden Leiterbahnen-Netz 14 bildet.
In dem in Fig. 10 gezeigten abschließenden Bearbeitungsschritt werden dann die nicht in die Keramikschaltung integrierbaren Bauteile, beispielsweise diverse Halbleiterbaugruppen 15 an der Oberseite des Keramiksubstrats 13 befestigt und kontaktiert. Dabei können nachträglich auch auf die Oberseite Leiterbahnen 16 aufgebracht werden. Schließlich wird der gesamte Komplex mit Anschlüssen versehen und mit einem metallischen Gehäuse umgeben, das zum einen die Wärmeableitung erhöht und zum anderen die während des Betriebs entstehenden hochfrequenten elektromagnetischen Felder abschirmt.
Fig. 11 zeigt nochmals in vergrößerter Darstellung einen Bereich der LTCC-Struktur im Schnitt. Dabei sind noch die Trennlinien zwischen den einzelnen ursprünglichen Keramikschichten eingezeichnet, auch wenn sich - wie zuvor beschrieben - nach dem Laminieren und Sintern eine homogene Keramikstruktur 13 bildet. Wie auf der rechten Seite der Abbildung zu sehen ist, können sich dabei die vertikal verlaufenden Leiterbahnen 11 , die durch die im ersten Verfahrensschritt herausgestanzten Durchkontaktierungslöcher gebildet werden, auch über mehrere Ebenen erstrecken. Der wesentliche Vorteil der Verwendung einer LTCC-Struktur besteht darin, daß nicht nur Leiterbahnen 11 bzw. 12 sondern auch andere passive Bauelemente in die Mehrlagenschaltung integriert werden können. Im Rahmen des in Fig. 7 gezeigten Bearbeitungsschrittes können neben der Leiterpaste für die allgemeinen Leiterbahnen 12 beispielsweise auch andere Materialien mit bestimmter Leitfähigkeit auf die Oberseite einer einzelnen Keramikschicht 10 aufgebracht werden, so daß auf diese Weise ein Widerstand 21 vollkommen in die Keramikstruktur 13 integriert werden kann. Neben den üblichen Durchkontaktierungslöchern 11 können aber beispielsweise auch größere vertikal verlaufende Löcher in eine Keramikschicht 10 eingestanzt werden. Diese können dann mit einem Material 20 mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante gefüllt werden, so daß durch die in Fig. 11 gezeigten Schichtanordnung Leiterbahn - Dielektrikum 20 - Leiterbahn in das Keramiksubstrat 13 integrierte Kapazitäten realisiert werden können.
Ferner könnte eine Induktivität innerhalb der Keramikstruktur 13 durch eine auf eine einzelne Keramikschicht 10 aufgedruckte spiralenartige Leiterbahn realisiert werden. Denkbar wäre allerdings auch, die verschiedenen Wicklungen der Induktivität auf mehrere Leiterbahn-Ebenen zu verteilen. Derartige Strukturen werden auch als planare Induktivitäten bezeichnet. Zur Erhöhung der Induktivität, könnte ferner auch eine Öffnung oder Ausnehmung in dem Keramiksubstrat 13 vorgesehen werden, die mit einem geeigneten Kern-Material, beispielsweise Ferrit, gefüllt wird.
Für die in die Mehrlagenschaltung integrierten Bauelemente können nur Induktivitätsund Kapazitäts werte bis zu einer bestimmten Höhe erreicht werden. Diese Werte sind allerdings für einen ordnungsgemäßen Betrieb der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei Frequenzen im Bereich zwischen 200 kHz und 1 MHz ausreichend.
Allerdings können bei der LTCC-Technik nicht sämtliche Bauelemente der Ansteuerschaltung in die Mehrlagenschaltung 13 integriert werden. Beispielsweise wird der Operationsverstärker durch eine Halbleiter-Baugruppe 15 gebildet, die nicht in die Keramikschicht 13 integriert werden kann. Vorzugsweise werden dann solche Halbleiter-Baugruppen 15 an der Oberseite der Mehrlagenschaltung 13 mittels Flip- Chip-Technik kontaktiert. Dabei wird zwischen die Oberseite des Keramiksubstrats 13 und die ungehäuste Halbleiterschaltung 15 ein anisotrop elektrisch leitender Kunststoff eingebracht, der senkrecht zur Flip-Chip-Kontaktierungsebene elektrisch leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend wirkt. Als elektrisch leitende Partikel enthält der Kunststoff beispielsweise unregelmäßig geformte Metallstückchen oder aber auch kleinere Kügelchen oder Fasern, welche eine Kontaktierung zwischen den Oberflächenkontakten 18 des Keramiksubstrats 13 und den Anschlußpads 17 der Halbleiterbaugruppe 15 bewirken. Ferner nimmt dieser Kunststoff 18 auch Spannungen auf, die sich durch eine unterschiedlich thermische Ausdehnung des Keramikmaterials und der Halbleiterbaugruppe 15 ergeben können. Diese Flip-Chip-Technik ermöglicht eine sehr hohe Kontaktierungsdichte, so daß sie ebenfalls zu einer Volumenreduzierung des gesamten Schaltung beiträgt. Auch die Leuchtdioden selbst können mit dieser Technologie auf die Oberseite der Mehrlagenschaltung 15 aufgebracht werden. Selbstverständlich können auch Widerstände 22 oder Induktivitäten der Schaltung als diskrete Teile an der Oberfläche angeordnet werden.
Durch die vorliegende Erfindung werden somit bei Ansteuerschaltungen für LED 's mit Konstantstromquellen Verbesserungen auf der Rückkopplungsseite des Transistors der Konstantstromquelle vorgenommen, wobei durch zuletzt beschriebenen Weiterbildungen eine Ansteuerschaltung mit äußerst kompakten Abmessungen realisiert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Ansteuerschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode (LED1), aufweisend eine Konstantstromquelle (KSQ) geschaltet ist, die einen Operationsverstärker (OP) aufweist, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß eines Transistors (Ql) verbunden ist, wobei die Leuchtdiode (LED1) mit einem ersten ausgangsseitigen Anschluss des Transistors (Ql) in Serie geschaltet ist und ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors (Ql) zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärker (OP) zurückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückkopplungsseite des Transistors (Ql) ein Bauteil (Vc, LED2) vorgesehen ist, daß das Potential der Rückkopplungsseite des Transistors (Ql) wenigstens um den Wert einer Offsetspannung des Operationsverstärkers (OP) anhebt, wenn durch die Leuchtdiode (LED1) kein bzw. nur ein infinitesimaler Strom fließt.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Spannungsquelle (Vc) ist.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine weitere Diode (LED2) ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Leuchtdiode (LED2).
5. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in Serie mit einem Ohm'schen Widerstand (R3) geschaltet ist.
6. Ansteuerschaltung für eine Leuchtdiode, aufweisend eine Konstantstromquelle mit einem Transistor (Ql), wobei die Leuchtdiode (LED1) in Serie zu einem ersten ausgangsseitigen Anschluss des Transistors (Ql) geschaltet ist und ein zweiter ausgangsseitiger Anschluß des Transistors (Ql) zu dem Steueranschluß des Transistors (Ql) zurückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückkopplungsseite des Transistors (Ql) eine weitere Leuchtdiode (LED2) vorgesehen ist.
7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leuchtdiode (LED2) in Serie zu einem Ohm'schen Widerstand (R2) geschaltet ist.
8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leuchtdiode eine rote Leuchtdiode (LED2) ist.
9. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Bipolartransistor (Ql) ist.
10. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steueranschluß des Trans istors(Ql) Impulsbreitenmodulierte (PWM) Spannungssignale angelegt sind.
11. Ansteuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssignale Frequenzen im Bereich zwischen 200 kHz und 1 MHz aufweisen.
12. Ansteuerschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens eine Mehrlagenschaltung (13) aufweist, in die passive Bauelemente (20, 21) der Ansteuerschaltung integriert sind.
13. Ansteuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrlagenschaltung aus mehreren übereinander angeordneten Leiterplatten besteht, an deren Ober- und/oder Unterseiten Leiterbahnen aus einem leitfähigen Material aufgebracht sind und die zum Verbinden von verschiedenen Leitungsebenen Durchkontaktierungslöcher aufweisen, die ebenfalls mit einem leitfähigen Material gefüllt sind.
14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Mehrlagenschaltung um eine LTCC-Struktur (13) handelt, welche aus mehreren übereinander angeordneten niedrig sinternden Keramikschichten (10) besteht, zwischen denen sich Leiterbahnen (12) befinden, wobei die Keramikschichten (10) Durchkontaktierungslöcher (11) zum Verbinden von Leiterbahnen (12) unterschiedlicher Ebenen aufweisen.
15. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrlagenschaltung (13) von einem metallischen Gehäuse umgeben ist.
16. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterbaugruppen (15) auf der Oberfläche der Mehrlagenschaltung (13) mittels Flip-Chip-Technologie befestigt sind.
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