半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)和評(píng)估

文/段小晉

半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)和評(píng)估

文/段小晉

本文介紹了半導(dǎo)體照明，闡述了半導(dǎo)體照明的原理，重點(diǎn)對(duì)其光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究，并通過實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了芯片功能。

半導(dǎo)體 照明光源 恒流驅(qū)動(dòng)芯片

傳統(tǒng)照明方式環(huán)保性差，且壽命短，將半導(dǎo)體材料應(yīng)用到照明設(shè)計(jì)中，取代白熾燈以及熒光燈等作為主要光源，已經(jīng)成為了當(dāng)前社會(huì)研究的重點(diǎn)。半導(dǎo)體照明的實(shí)現(xiàn)，離不開恒流驅(qū)動(dòng)芯片功能的發(fā)揮，本文本著提高照明環(huán)保性、提高光源亮度的穩(wěn)定性的目的，對(duì)半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 半導(dǎo)體照明

半導(dǎo)體照明（Semiconductor Lighting），即發(fā)光二極管(Light-emitting diode)，簡稱LED，從本質(zhì)上看，屬于半導(dǎo)體固定發(fā)光器件的一種。LED照明，要求將半導(dǎo)體發(fā)光材料應(yīng)用其中，使之與載流子相互作用，最終達(dá)到照明的需求。與傳統(tǒng)白熾燈以及熒光燈等照明方式相比，半導(dǎo)體照明的環(huán)保性更強(qiáng)，且維護(hù)便利，具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。

受科學(xué)技術(shù)水平等因素的影響，當(dāng)前半導(dǎo)體照明同樣存在一定缺陷，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）光源亮度問題：目前市場上應(yīng)用的半導(dǎo)體照明設(shè)備，工作電壓一般為3.5v，工作電流為350mA，半導(dǎo)體照明期間，需為之提供恒定的電流以及電壓，受半導(dǎo)體照明光源正向壓降的影響，恒壓下，半導(dǎo)體光源很容易發(fā)生亮度差的問題，需要將其他限流電阻應(yīng)用到照明過程中，以確保其亮度得以保持，不僅增加了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也提高了操作難度。

（2）半導(dǎo)體照正向?qū)妷阂话阍谕环秶鷥?nèi)，但如不同產(chǎn)品的來源不同，其工作點(diǎn)通常容易出現(xiàn)差異，致使照明無法穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

考慮半導(dǎo)體照明的缺陷，應(yīng)通過對(duì)其光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使上述問題得以解決，提高半導(dǎo)體照明的穩(wěn)定性。

2 半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)

2.1 半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）采用寬長比為604的MOS管，作為半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的主要部件，為設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

（2）MOS管共包括4部分，每一部分的寬長比均為604。

（3）采用4個(gè)壓焊塊，引出了MOS管的漏極。

（4）采用p注入的方法，對(duì)功率管周圍的襯底位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，能夠有效增加功率管襯底的接地面積，提高半導(dǎo)體照明功能發(fā)揮的穩(wěn)定性。

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

（1）共設(shè)計(jì)了兩個(gè)基準(zhǔn)電路，分別為3.3v和1.5v。

（2）將1.5v電路，送入到誤差放大器的反相端。

（3）將3.3v電路，送入到誤差放大器的同相端。

（4）由帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的1.5v電壓，經(jīng)過誤差放大器比較放大，產(chǎn)生控制信號(hào)。

（5）調(diào)整柵點(diǎn)位，調(diào)整相應(yīng)傳感電流，提高閉環(huán)反饋系統(tǒng)的平衡性。

2.2 半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片功能評(píng)估

2.2.1 評(píng)估方法

芯片采用0.6μm雙層金屬雙層多晶硅工藝制造，面積為2mm*2mm，電源電壓為5v。在此基礎(chǔ)上，采用上述設(shè)計(jì)方法，對(duì)半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)芯片的功能進(jìn)行了評(píng)估。

2.2.2 觀察指標(biāo)

評(píng)估過程中觀察的內(nèi)容如下：

（1）觀察不同電源電壓下，功率管的漏源電壓以及正向壓降兩者之間的關(guān)系。

（2）觀察電壓電壓發(fā)生10%跳變時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流以及半導(dǎo)體照明光源的照度情況。

（3）觀察環(huán)境溫度增加的情況下，輸出驅(qū)動(dòng)電流的變化情況。

2.2.3 評(píng)估結(jié)果

通過對(duì)不同電源電壓下，功率管的漏源電壓以及正向壓降兩者之間的關(guān)系的觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）半導(dǎo)體兩端的正向電壓為恒定值，一直為3.3v，無論電流如何變化，電壓不發(fā)生變化。

（2）電源電壓的變化與漏源電壓的變化相一致。

通過對(duì)電源電壓發(fā)生10%跳變時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流以及半導(dǎo)體照明光源的照度情況的觀察發(fā)現(xiàn)，電源電壓增加10%，達(dá)到5.5v時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流有所增大，具體數(shù)值為356mA。當(dāng)電源電壓在此基礎(chǔ)上下降10%，達(dá)到4.5v時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流有所減小，具體數(shù)值為348mA?？梢?，電源電壓變化的情況下，恒流效果基本能夠?qū)崿F(xiàn)。

通過對(duì)環(huán)境溫度增加的情況下，輸出驅(qū)動(dòng)電流的變化情況的觀察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，流經(jīng)半導(dǎo)體的電流逐漸下降，由最初的352mA，下降到了348mA，通過對(duì)照明光源照度情況的觀察發(fā)現(xiàn)，照度由10.98lx，減小到了10.88lx?？梢?，半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的恒流穩(wěn)定性較強(qiáng)。

3 討論與展望

本文分析了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體照明光源的缺陷，在遵循其照明原理的基礎(chǔ)上，對(duì)半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)芯片的恒流效果進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)，與優(yōu)化設(shè)計(jì)前相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的照明效果顯著提升，半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的恒流穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠有效解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體照明存在的光源不穩(wěn)定的問題，對(duì)于照明效果的改善，能夠起到極大的促進(jìn)作用。

在社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念重視程度逐漸提高的今天，傳統(tǒng)的白熾燈等照明設(shè)備，正在逐漸退出市場，在未來，半導(dǎo)體照明光源將成為主要的照明設(shè)備被應(yīng)用到家庭以及企業(yè)中，有關(guān)領(lǐng)域應(yīng)加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體照明有關(guān)問題的研究，在提高半導(dǎo)體照明光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片的恒流穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，深入分析其缺陷，并找出相應(yīng)解決方案，使半導(dǎo)體照明效果，能夠得到進(jìn)一步的提升。

4 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)在提高半導(dǎo)體照明光源穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，將該照明方式推廣應(yīng)用，提高照明的環(huán)保性，延長照明設(shè)備使用壽命，提高照明設(shè)計(jì)領(lǐng)域整體技術(shù)水平。

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作者單位 國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局電學(xué)發(fā)明審查部 北京市 100880