半導體照明光源恒流驅動芯片的設計和評估

文/段小晉

半導體照明光源恒流驅動芯片的設計和評估

文/段小晉

本文介紹了半導體照明，闡述了半導體照明的原理，重點對其光源恒流驅動芯片的設計問題進行了研究，并通過實驗，評估了芯片功能。

半導體 照明光源 恒流驅動芯片

傳統照明方式環保性差，且壽命短，將半導體材料應用到照明設計中，取代白熾燈以及熒光燈等作為主要光源，已經成為了當前社會研究的重點。半導體照明的實現，離不開恒流驅動芯片功能的發揮，本文本著提高照明環保性、提高光源亮度的穩定性的目的，對半導體照明光源恒流驅動芯片進行了設計。

1 半導體照明

半導體照明（Semiconductor Lighting），即發光二極管(Light-emitting diode)，簡稱LED，從本質上看，屬于半導體固定發光器件的一種。LED照明，要求將半導體發光材料應用其中，使之與載流子相互作用，最終達到照明的需求。與傳統白熾燈以及熒光燈等照明方式相比，半導體照明的環保性更強，且維護便利，具有較強的應用優勢。

受科學技術水平等因素的影響，當前半導體照明同樣存在一定缺陷，主要體現在以下方面：

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

（2）半導體照正向導通電壓一般在同一范圍內，但如不同產品的來源不同，其工作點通常容易出現差異，致使照明無法穩定實現。

考慮半導體照明的缺陷，應通過對其光源恒流驅動芯片進行優化設計的方法，使上述問題得以解決，提高半導體照明的穩定性。

2 半導體照明光源恒流驅動芯片的設計

2.1 半導體照明光源恒流驅動芯片的設計

2.1.1 結構設計

（1）采用寬長比為604的MOS管，作為半導體照明光源恒流驅動芯片的主要部件，為設計奠定了基礎。

（2）MOS管共包括4部分，每一部分的寬長比均為604。

（3）采用4個壓焊塊，引出了MOS管的漏極。

（4）采用p注入的方法，對功率管周圍的襯底位置進行了設計，能夠有效增加功率管襯底的接地面積，提高半導體照明功能發揮的穩定性。

2.1.2 電路設計

（1）共設計了兩個基準電路，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）由帶隙基準電壓源產生的1.5v電壓，經過誤差放大器比較放大，產生控制信號。

（5）調整柵點位，調整相應傳感電流，提高閉環反饋系統的平衡性。

2.2 半導體照明光源恒流驅動芯片功能評估

2.2.1 評估方法

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。在此基礎上，采用上述設計方法，對半導體照明光源恒流驅動芯片進行了設計，并通過實驗的方法，對芯片的功能進行了評估。

2.2.2 觀察指標

評估過程中觀察的內容如下：

（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系。

（2）觀察電壓電壓發生10%跳變時，輸出驅動電流以及半導體照明光源的照度情況。

（3）觀察環境溫度增加的情況下，輸出驅動電流的變化情況。

2.2.3 評估結果

通過對不同電源電壓下，功率管的漏源電壓以及正向壓降兩者之間的關系的觀察發現：

（1）半導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。

通過對電源電壓發生10%跳變時，輸出驅動電流以及半導體照明光源的照度情況的觀察發現，電源電壓增加10%，達到5.5v時，輸出驅動電流有所增大，具體數值為356mA。當電源電壓在此基礎上下降10%，達到4.5v時，輸出驅動電流有所減小，具體數值為348mA。可見，電源電壓變化的情況下，恒流效果基本能夠實現。

通過對環境溫度增加的情況下，輸出驅動電流的變化情況的觀察發現：當環境溫度升高時，流經半導體的電流逐漸下降，由最初的352mA，下降到了348mA，通過對照明光源照度情況的觀察發現，照度由10.98lx，減小到了10.88lx。可見，半導體照明光源恒流驅動芯片的恒流穩定性較強。

3 討論與展望

本文分析了傳統的半導體照明光源的缺陷，在遵循其照明原理的基礎上，對半導體照明光源恒流驅動芯片進行了設計，通過實驗的方法，對芯片的恒流效果進行了評估，發現，與優化設計前相比，優化設計后的照明效果顯著提升，半導體照明光源恒流驅動芯片的恒流穩定性較強，能夠有效解決傳統半導體照明存在的光源不穩定的問題，對于照明效果的改善，能夠起到極大的促進作用。

在社會對可持續發展理念重視程度逐漸提高的今天，傳統的白熾燈等照明設備，正在逐漸退出市場，在未來，半導體照明光源將成為主要的照明設備被應用到家庭以及企業中，有關領域應加強對半導體照明有關問題的研究，在提高半導體照明光源恒流驅動芯片的恒流穩定性的基礎上，深入分析其缺陷，并找出相應解決方案，使半導體照明效果，能夠得到進一步的提升。

4 結論

綜上所述，應在提高半導體照明光源穩定性的基礎上，將該照明方式推廣應用，提高照明的環保性，延長照明設備使用壽命，提高照明設計領域整體技術水平。

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作者單位 國家知識產權局專利局電學發明審查部 北京市 100880