[发明专利]利用区段式LEDs来补偿个别区段式LED在光输出上的制造工艺差异的光源

说明书

背景技术

发光二极管(Light emitting diodes，LEDs)是一种可以将电能转换成光的重要固态元件类型。这些元件上的改良已使其被用在那些设计来取代传统白炽光源与萤光光源的灯具中。LED具有极长的寿命，在某些情况下，其将电能转换成光的效率也较传统光源高的多。

为了本文讨论的目的，文中的LED会被视为具有三层结构，其为一主动层(active layer)夹在其他的两层之间。当来自外层的空穴与电子在该主动层中结合时该主动层会发出光线。这些空穴与电子是藉由将该LED通以电流而生成。该LED是透过位在顶层上的一电极来供能以及一接触来提供与底层的电性连接。

LEDs的成本与能量转换效率是为判定此种新技术将取代传统光源并被用在高能应用中比例的重要因素。一个LED的转换效率被定义成该LED所发出位于光谱中所欲光波段的光能与光源所耗费的电力之间的比例。该所耗费的电力取决于LED的转换效率以及那些可直接用来将交流电(AC)转为直流电(DC)供予LED晶粒电能的电路系统。未转换成光离开LED的电力会被转换成热能而使得LED的温度上升。散热问题常常会使得LED得以运作的电力层级受到限制。此外，LED的转换效率会随电流的增加而减少。因此当LED为了增加其整体光输出量而增加电流时，其电能转换效率亦会跟着降低。再者，LED的寿命亦会因为在高电流环境下运作而减少。

单一的LED光源在许多应用中并不能够生成足以取代传统光源的光。一般而言，在可接受的能量转换效率下，LED每单位区域实际上所能生成的光有其限制在。此限制是由于LED的散热以及其材料体系的电能转换效率。因此为了提供较高强度的单一LED光源，势必采用面积较大的LED芯片(或晶粒)；然而，制作LED所用的制造工艺会使单一LED芯片的大小受到限制。当芯片的尺寸增加时，芯片的良率会下降。因此，一旦芯片尺寸超过预定的大小时，每个LED的成本增加的速度会超过其光输出增加的速度。

故此，在许多应用中，LED式的光源必须采用多个LEDs来提供所欲的光输出值。举例言之，要取代传统照明应用中所使用的100瓦白炽灯泡约需要25个大小为1mm²(平方毫米)的LED。其所需数量会视所欲的色温(color temperature)以及LED芯片的实际大小而变。

再者，光源一般会含有电源供应器来将115V或240V的交流电力转换成适合用来驱动LED的直流电平。这类电源供应器的转换效率在价格上具有竞争力的商品中通常仅为80％或更低，此现象亦降低了光源整体的电转光转换效率。为了要提供最大的能量转换效率，电源供应器的输出应该要接近交流电源的峰值电压，且要将光源中经由多种导体传送的电流降到最低以避免这些导体中的电阻损耗。典型的氮化镓(GaN)LED需要约3.2-3.6V的驱动电压。因此从能量转换的观点来看，前文所述的25个LEDs光源会建构成一个单一的LED串，其25个LEDs是以串联方式与来自电源供应器约80伏特的输出电压串联在一起。

然而除了电转光转换效率外，还有如光源的成本暨可靠性等因素需加以考量。从可靠性的观点来看，单一的串联式LEDs串会是最差的选择。一般来说，LEDs比较可能会因为开路(open)而非短路(short)而失效。举例言之，如LED中连接接垫与外部电路的打线(wire-bond)失效。故此，串联式LED串中如果有单个LED故障将会导致整个光源毁灭性的失效。

从可靠性的观点来看，在LED的故障机制主因是开路因素的前提下，其内部的LED以并联方式连接的光源会是最佳的。假使今有单个LED故障而一恒定的电流源被用来驱动并联式LEDs，则经过其他LEDs的电流会稍微增加，因此这些其他的LEDs会一起补偿因其中的一个LED故障所造成的光能损失。可惜的是从能量供应效率的观点来看，这类设置的效率并不好，且需要具有能够处理大电流又不会造成显著传输成本的导体。