半导体照明光源恒流驱动芯片的设计和评估

文/段小晋

半导体照明光源恒流驱动芯片的设计和评估

文/段小晋

本文介绍了半导体照明，阐述了半导体照明的原理，重点对其光源恒流驱动芯片的设计问题进行了研究，并通过实验，评估了芯片功能。

半导体 照明光源 恒流驱动芯片

传统照明方式环保性差，且寿命短，将半导体材料应用到照明设计中，取代白炽灯以及荧光灯等作为主要光源，已经成为了当前社会研究的重点。半导体照明的实现，离不开恒流驱动芯片功能的发挥，本文本着提高照明环保性、提高光源亮度的稳定性的目的，对半导体照明光源恒流驱动芯片进行了设计。

1 半导体照明

半导体照明（Semiconductor Lighting），即发光二极管(Light-emitting diode)，简称LED，从本质上看，属于半导体固定发光器件的一种。LED照明，要求将半导体发光材料应用其中，使之与载流子相互作用，最终达到照明的需求。与传统白炽灯以及荧光灯等照明方式相比，半导体照明的环保性更强，且维护便利，具有较强的应用优势。

受科学技术水平等因素的影响，当前半导体照明同样存在一定缺陷，主要体现在以下方面：

（1）光源亮度问题：目前市场上应用的半导体照明设备，工作电压一般为3.5v，工作电流为350mA，半导体照明期间，需为之提供恒定的电流以及电压，受半导体照明光源正向压降的影响，恒压下，半导体光源很容易发生亮度差的问题，需要将其他限流电阻应用到照明过程中，以确保其亮度得以保持，不仅增加了设计成本，同时也提高了操作难度。

（2）半导体照正向导通电压一般在同一范围内，但如不同产品的来源不同，其工作点通常容易出现差异，致使照明无法稳定实现。

考虑半导体照明的缺陷，应通过对其光源恒流驱动芯片进行优化设计的方法，使上述问题得以解决，提高半导体照明的稳定性。

2 半导体照明光源恒流驱动芯片的设计

2.1 半导体照明光源恒流驱动芯片的设计

2.1.1 结构设计

（1）采用宽长比为604的MOS管，作为半导体照明光源恒流驱动芯片的主要部件，为设计奠定了基础。

（2）MOS管共包括4部分，每一部分的宽长比均为604。

（3）采用4个压焊块，引出了MOS管的漏极。

（4）采用p注入的方法，对功率管周围的衬底位置进行了设计，能够有效增加功率管衬底的接地面积，提高半导体照明功能发挥的稳定性。

2.1.2 电路设计

（1）共设计了两个基准电路，分别为3.3v和1.5v。

（2）将1.5v电路，送入到误差放大器的反相端。

（3）将3.3v电路，送入到误差放大器的同相端。

（4）由带隙基准电压源产生的1.5v电压，经过误差放大器比较放大，产生控制信号。

（5）调整栅点位，调整相应传感电流，提高闭环反馈系统的平衡性。

2.2 半导体照明光源恒流驱动芯片功能评估

2.2.1 评估方法

芯片采用0.6μm双层金属双层多晶硅工艺制造，面积为2mm*2mm，电源电压为5v。在此基础上，采用上述设计方法，对半导体照明光源恒流驱动芯片进行了设计，并通过实验的方法，对芯片的功能进行了评估。

2.2.2 观察指标

评估过程中观察的内容如下：

（1）观察不同电源电压下，功率管的漏源电压以及正向压降两者之间的关系。

（2）观察电压电压发生10%跳变时，输出驱动电流以及半导体照明光源的照度情况。

（3）观察环境温度增加的情况下，输出驱动电流的变化情况。

2.2.3 评估结果

通过对不同电源电压下，功率管的漏源电压以及正向压降两者之间的关系的观察发现：

（1）半导体两端的正向电压为恒定值，一直为3.3v，无论电流如何变化，电压不发生变化。

（2）电源电压的变化与漏源电压的变化相一致。

通过对电源电压发生10%跳变时，输出驱动电流以及半导体照明光源的照度情况的观察发现，电源电压增加10%，达到5.5v时，输出驱动电流有所增大，具体数值为356mA。当电源电压在此基础上下降10%，达到4.5v时，输出驱动电流有所减小，具体数值为348mA。可见，电源电压变化的情况下，恒流效果基本能够实现。

通过对环境温度增加的情况下，输出驱动电流的变化情况的观察发现：当环境温度升高时，流经半导体的电流逐渐下降，由最初的352mA，下降到了348mA，通过对照明光源照度情况的观察发现，照度由10.98lx，减小到了10.88lx。可见，半导体照明光源恒流驱动芯片的恒流稳定性较强。

3 讨论与展望

本文分析了传统的半导体照明光源的缺陷，在遵循其照明原理的基础上，对半导体照明光源恒流驱动芯片进行了设计，通过实验的方法，对芯片的恒流效果进行了评估，发现，与优化设计前相比，优化设计后的照明效果显著提升，半导体照明光源恒流驱动芯片的恒流稳定性较强，能够有效解决传统半导体照明存在的光源不稳定的问题，对于照明效果的改善，能够起到极大的促进作用。

在社会对可持续发展理念重视程度逐渐提高的今天，传统的白炽灯等照明设备，正在逐渐退出市场，在未来，半导体照明光源将成为主要的照明设备被应用到家庭以及企业中，有关领域应加强对半导体照明有关问题的研究，在提高半导体照明光源恒流驱动芯片的恒流稳定性的基础上，深入分析其缺陷，并找出相应解决方案，使半导体照明效果，能够得到进一步的提升。

4 结论

综上所述，应在提高半导体照明光源稳定性的基础上，将该照明方式推广应用，提高照明的环保性，延长照明设备使用寿命，提高照明设计领域整体技术水平。

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作者单位 国家知识产权局专利局电学发明审查部 北京市 100880