大功率照明綜合設(shè)計(jì)技術(shù)

大功率照明綜合設(shè)計(jì)技術(shù)王憶五邑大學(xué)12LEDlightingsystemLED背光模組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背光模組臺(tái)灣光電所平面顯示器期末報(bào)告Outlook背光模組LED背光模組光源LED背光模組的光色的改進(jìn)LED光源的應(yīng)用平面顯示器期末報(bào)告背光模組背光模組(Backlightmodule)：液晶顯示器面板(LCDpanel)的關(guān)鍵組件之一。液晶本身不發(fā)光，光源的顯示完全通過(guò)背光模組來(lái)提供，要保證足夠的亮度和分布均勻的背光背光模組的基本原理是將常用的點(diǎn)或線型光源，通過(guò)簡(jiǎn)潔有效的光結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化而形成高亮度、光分布均勻的背光，提供給顯示界面。早期的顯示器背光大多采用冷陰極管進(jìn)過(guò)反射罩進(jìn)入導(dǎo)光板，然后轉(zhuǎn)化成均勻分布的面光源，再經(jīng)過(guò)擴(kuò)散片的均光作用和棱鏡片的集光作用來(lái)提高光源的亮度和均勻度。背光模組背光模組的主要光學(xué)元件光源(Lightsource)冷陰極熒光管(CCFL:Coldcathodefluorescentlamp)熱陰極熒光管發(fā)光二極管(LED:Lightemittingdiode)電致發(fā)光片(EL)導(dǎo)光板(Lightguideplate)引導(dǎo)光線方向，提高面板的亮度和均勻度，利用疏密、大小不同的微結(jié)構(gòu)圖案設(shè)計(jì)可使導(dǎo)光板均勻發(fā)光。反射板(Reflector)將漏出的光反射回導(dǎo)光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。擴(kuò)散板(Diffuser)提供給液晶顯示器一個(gè)均勻的光源。

增亮膜(BEF棱鏡片)光自擴(kuò)散板出來(lái)后其指向性比較差，因此需要用棱鏡片來(lái)修正光束的方向，其原理是通過(guò)光的折射與反射來(lái)達(dá)到聚集光線、來(lái)提高正面輝度的目的。偏光轉(zhuǎn)換模(P-SConverter)

利用反射偏光板將可通過(guò)與不可通過(guò)LCD偏光板的光分離，然後利用反射板將反射回來(lái)的光轉(zhuǎn)換成可用的偏光，達(dá)到亮度提高的目的。

背光模組主要光學(xué)元件背光模組主要光學(xué)元件背光模組的三大結(jié)構(gòu)方式側(cè)光式(Edgelighting)發(fā)光源擺在側(cè)邊的單只光源，一般常用于18吋以下的中小尺寸背光模組，側(cè)邊入射的光源具有重量輕，超薄和窄邊化，低耗電的優(yōu)點(diǎn)。

直下式(Bottomlighting)超大尺寸的背光模組，側(cè)光式結(jié)構(gòu)已無(wú)法在重量、耗電量以及亮度上占優(yōu)勢(shì)，因此不含有導(dǎo)光板并且光源放置于正下方形成直下型結(jié)構(gòu)。中空式結(jié)構(gòu)直下式(Bottomlighting)中空式結(jié)構(gòu)資料來(lái)源:LCDIntelligence,PIDA整理LED背光模組光源以白光LED來(lái)看，由于單一LED晶片的發(fā)光頻譜很窄，因此本身無(wú)法發(fā)出白光，需要借助一些技巧，來(lái)達(dá)到到白光的目的目前常用的LED背光模組可分為四種:模擬白光LED近紫外白光LED單體RGB白光LED一體化RGB白光LED有熒光粉的LED光源模擬白光LED

基本上是由藍(lán)光LED與黃色熒光粉所組成，主要是利用互補(bǔ)原理產(chǎn)生白光，這種形式的LED結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，而且發(fā)光效率也很高，因此被當(dāng)作小型LCD的背光光源，能廣泛應(yīng)用在手機(jī)，缺點(diǎn)是紅色成份強(qiáng)度弱。

近紫外白光LED

它是由可產(chǎn)生近紫外光的LED，與能夠產(chǎn)生RGB三種顏色的熒光粉組合而成，由于是利用RGB三種顏色混合變成白光的，所以白色再現(xiàn)性很高，不過(guò)這種白光LED是基于近紫外光，會(huì)使封裝樹(shù)脂與熒光粉老化，因此需要防紫外線的膠體。其次，近紫外輻射對(duì)人體是有害的。有熒光粉的LED光源平面顯示器期末報(bào)告無(wú)熒光粉的LED光源單體RGB白光LED

由於單體RGB白光LED可針對(duì)各單體LED設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，因此較容易獲得高輸出效果，不過(guò)RGB單體LED的晶片物理上彼此相隔，所以必需設(shè)計(jì)專(zhuān)用的導(dǎo)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。一體化RGB白光LED

一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒(méi)有專(zhuān)用導(dǎo)光路與背光照明模組厚度限制等困擾，不過(guò)施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。常用的LED背光模組形式平面顯示器期末報(bào)告改善LED背光模組的亮度取決於如何將發(fā)光層產(chǎn)生的光線取至LED外部，因?yàn)楣鈱赢a(chǎn)生的光線會(huì)在元件內(nèi)部反覆反射，甚至?xí)辉辙D(zhuǎn)化成熱能主要改善方法有以下三種:電極設(shè)計(jì)導(dǎo)光板設(shè)計(jì)利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均平面顯示器期末報(bào)告有效取光-電極設(shè)計(jì)德國(guó)OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著製作凹凸?fàn)铍姌O，藉此改變光線的入射角，達(dá)到抑制光線反射的效果。計(jì)劃未來(lái)將元件上下反轉(zhuǎn)進(jìn)行flipchip連接，同時(shí)在發(fā)光層設(shè)置mirror使光線能朝前方集光平面顯示器期末報(bào)告日亞化學(xué)則是使在藍(lán)寶石基板表面形成凹凸?fàn)罱宕松y光線，同時(shí)採(cǎi)用網(wǎng)狀電極增加電極部位的取光效率

有效取光-電極設(shè)計(jì)平面顯示器期末報(bào)告有效取光-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)LED與導(dǎo)光板之間的距離越近，背光模組的輝度越高，構(gòu)造上當(dāng)兩者距離等於0，亦即LED貼附於導(dǎo)光板時(shí)，LED的光線利用效率最高。平面顯示器期末報(bào)告為了滿(mǎn)足以上結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上必須把握以下幾項(xiàng)重點(diǎn):選用發(fā)光面為扁平狀之LED。設(shè)法使LED貼近導(dǎo)光板端面。LED貼近導(dǎo)光板端面時(shí)不可施加額外的外力。此外小尺寸基板除了可提高作業(yè)性之外，基板小型化對(duì)背光模組輕巧化具有很大的助益。有效取光-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)平面顯示器期末報(bào)告有效取光-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)右圖為當(dāng)LED光軸與導(dǎo)光板的中心(板厚方向)不一致時(shí)，對(duì)背光板面輝度的影響經(jīng)過(guò)模擬分析後的結(jié)果。導(dǎo)光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與導(dǎo)光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越高時(shí)，背光板的面輝度衰減越大。設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能選用厚度與導(dǎo)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(bào)告射入導(dǎo)光板的LED光線，在導(dǎo)光板內(nèi)反覆反射，並朝向與入射光相反方向前進(jìn)，光線反射時(shí)部分的光線被導(dǎo)光板表面的微細(xì)凸?fàn)罹W(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)散，再?gòu)膶?dǎo)光板表面射出成為液晶面板的照明光源，導(dǎo)光板的厚度越薄，導(dǎo)光板內(nèi)光線的反射次數(shù)越多，相對(duì)的從導(dǎo)光板表面射出的光線也越強(qiáng)。有效取光-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)平面顯示器期末報(bào)告有效取光-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)目前導(dǎo)光板的厚度以0.8～1.0mm居多，導(dǎo)光板的厚度越薄除了容易獲得高亮度的效果之外，對(duì)于便攜式商品的輕巧化具有很好的效果。受導(dǎo)光板成型技術(shù)的限制，這種厚度會(huì)維持一段時(shí)期。平面顯示器期末報(bào)告有效的光取出-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)為了提高LED的發(fā)光效率，利用單晶片LED作為背光模組照明光源已成為目前主流趨勢(shì)。下圖是利用單晶片LED從導(dǎo)光板的端面入光的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大特征是單晶片LED就可獲得良好的照度均勻性，不過(guò)單邊入光位置很重要，需優(yōu)化設(shè)計(jì)，此法無(wú)法利用復(fù)數(shù)晶片來(lái)增加亮度。平面顯示器期末報(bào)告利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF)20mA時(shí)為3～4V，它比其它材質(zhì)的LED高1V左右InGaN系白光LED的輝度不均範(fàn)圍也比其它種類(lèi)的LED大，尤其是複數(shù)LED同時(shí)點(diǎn)燈時(shí)更容易突顯輝度不均現(xiàn)象改善方法:-事先將LED的順向電壓值(VF)區(qū)分成不同等級(jí)。

-每個(gè)LED設(shè)置一個(gè)限制電流之電阻。

-如此