专利名称：高显色指数白色发光装置及驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有高(通常彡80)显色指数(CRI)的白色发光装置。更明确地说，本发明涉及基于固态发光装置(通常为发光二极管(LED))的白色发光装置以及操作此些装置的驱动电路。
背景技术：
白色发光二极管(“白色LED”)在此项技术中是众所周知的且是一项相对最新的创新。直到开发在电磁谱的蓝光/紫外光(U. V.)部分中发光的高亮度LED，开发基于LED的白色光源才变得切实可行。如例如在US 5，998，925中所教示，白色LED包含一个或一个以上降频转换(即，将光子转换为较低能量的光子)磷光体材料，所述一个或一个以上降频转换磷光体材料是光致发光材料，光致发光材料吸收由LED发射的福射的一部分且重新发射不同颜色(较长波长)的辐射。通常，LED芯片产生蓝光且所述磷光体材料吸收所述蓝光的一部分且重新发射不同颜色的光，通常黄光或绿光及黄光的组合。由LED产生的不被磷光体材料吸收的所述蓝光的所述部分与由磷光体材料发射的光组合提供了眼睛看似几乎白色的光。归因于长操作寿命(约30到50，000小时)及高发光效率(70流明/瓦特及更高)，高亮度白色LED正越来越多地用于取代常规荧光灯、紧凑型荧光灯及白炽光源。今天，利用白色LED的照明器材设计大多数包括若干系统，其中白色LED (更通常来说，多个白色LED)取代常规光源组件。此外，归因于其与常规光源相比的紧凑尺寸，白色LED提供构建新颖且紧凑型照明器材的可能性。光源显现对象的颜色的能力是使用显色指数(CRI)来量度，所述显色指数(CRI)给出光源使对象的颜色在人眼看似如何及如何很好地展现色量的细微变动的量度。CRI是所述光源相比于黑体辐射体显现颜色的能力的相对量度方法。在需要准确显色的应用中，例如(举例来说)零售店照明、博物馆照明及艺术品照明，高CRI (通常至少80)是极其可取的。白色LED的缺点可为白色LED与CRI > 95的白炽光源相比相对低的CRI，通常<75。低CRI是归因于在光谱的红光(> 600纳米)部分中不存在光。为了改进白色LED 的CRI，并入红色发光磷光体材料是众所周知的。然而，与黄色及绿色降频转换磷光体材料相比，红色发光磷光体材料具有若干缺点。首先，与磷光体材料将蓝光(450纳米，能量
2.76eV)降频转换为红光￠30纳米，能量1.97eV)相关联的能量损耗大于与将蓝光转换为黄光(550纳米，能量2. 25eV)相关联的能量损耗。此一般称为斯托克斯(Stokes)损耗，且与红色发光磷光体材料相关联的较高Stokes损耗可减少所述光源的发光效率(流明/瓦特)。其次，因为与绿光或黄光相比，人眼对于红光是较不敏感，所以此需要较大数量的红色磷光体材料以给予眼睛相等效果。US 6，513，949及US 6，692，136教示混合白色LED照明系统，所述照明系统包括一个或一个以上LED (红色或绿色)及由蓝色LED及至少一个磷光体(绿色或琥珀色)组成的磷光体LED的组合。 US 6，577，073揭示一种LED灯，所述LED灯包含蓝色及红色LED以及磷光体。所述蓝色LED产生属于蓝色波长范围的发射。所述红色LED产生属于红色波长范围的发射。所述磷光体是通过所述蓝色LED的发射而光激发，以展现具有在介于蓝色与红色波长范围之间的中间波长范围内的发射光谱的光致发光。US 7，213，940揭示一种白色发光装置，所述白色发光装置包括固态发光体(LED)的第一群组及第二群组，所述固态发光体发射具有在430纳米到480纳米(蓝色)及600纳米到630纳米(红色)的范围内的主波长的光；及磷光体材料，所述磷光体材料发射具有在555纳米到585纳米(黄色)的范围内的主波长的光。虽然使用红色发光LED可改进发光效率及CRI两者，但是发明者已明白，此装置具有若干限制。最显著的是，由此装置产生的光的相关色温(CCT)及CRI可随操作温度显著变化。如图Ia中所示，蓝色及红色发光LED的发射强度随操作温度的改变是不同的。通常，红色LED的发射强度比蓝色LED随操作温度增加而降低得快得多。举例来说，在25°C到75°C的操作温度范围内，基于GaN的蓝色LED的发射强度可降低约5%，而基于AlGaInP的红色LED的发射强度可降低约40%。在基于蓝色及红色LED的白色发光装置中，如图Ib中所示，这些不同发射/温度特性将导致发射产物的光谱组成的改变，以及因此导致CCT随操作温度增加而增加。如众所周知，白色光源的CCT是通过将其色调与理论、加热黑体辐射体比较而确定。CCT是以开尔文(K)指定，且对应于辐射与所述光源相同的白光的色调的黑体辐射体的温度。此外，如图Ib中所示，在发射产物中红光的相对比例随操作温度增加的减少将导致CRI降低。因此需要一种基于固态发光体的高CRI白色发光装置，所述高CRI白色发光装置至少部分克服现有装置的限制。
发明内容
本发明尽力试图提供一种具有高CRI (通常80或更高)的白色发光装置，所述白色发光装置至少部分克服已知装置的限制。根据本发明，一种白色发光装置包括至少一个蓝色固态发光体，其可操作以产生具有在400纳米到480纳米的范围内的主波长的蓝光；至少一个磷光体材料，其可操作以吸收所述蓝光的一部分且发射具有在490纳米到590纳米的范围内的主波长的光；及至少一个红色固态发光体，其可操作以产生具有在600纳米到700纳米的范围内的主波长的红光；其中所述装置的发射产物包括由所述蓝色及红色发光体产生的组合光及由所述至少一个磷光体材料产生的光，且看似白色；及驱动电路，其可操作以补偿在所述发射产物中的红光对蓝光比率的变动，使得在至少25°C的操作温度范围内，所述变动小于20%。理想情况下，所述驱动电路经配置以使得在所述操作温度范围内在所述发射产物中的红光与蓝光比率(相对比重)保持恒定。实际上，在所述操作温度范围内在所述发射产物中的红光对蓝光比率将变化，且所述驱动电路经配置以使得所述变动尽可能低，优选小于10 %，更优选小于5%，以及有利地小于1%。理想情况下，所述操作温度范围尽可能大，且是至少20°C，优选至少25°C，更优选至少50°C，以及甚至更优选至少100°C。有利的是，所述装置经配置以使得所述发射产物具有至少80的最小显色指数，优选至少85，更优选至少90，以及理想情况下95或更高。所述驱动电路可操作以响应于与所述蓝色及红色发光体中的至少一者的操作温度有关的参数而控制所述红色及蓝色发光体中的至少一者的功率。取决于驱动配置，所述驱动电路可为可操作以控制发光体的驱动电流、驱动电压或两者的组合。在一个驱动电路中，所述参数包括所述蓝色或红色发光体中的至少一者的温度。在此些电路布置中，所述装置进一步包括用于感测至少所述红色及/或蓝色发光体的温度 的传感器。在一个装置中，所述蓝色及红色发光体是与导热衬底热连通而安装，且所述传感器经配置以感测所述衬底的温度。在另一装置中，可提供相应传感器用于感测所述蓝色及红色发光体的相应温度。所述温度传感器可包括随温度变化的电阻器(热敏电阻器)、热电偶或具有随温度变化的电特性的其它装置。在所述传感器包括随温度变化的电阻器的驱动电路配置中，所述蓝色及红色发光体中的至少一者可与所述随温度变化的电阻器串联连接，且所述发光体从恒定电压源操作。因为固态发光体的电阻随温度增加而降低，所以此电路配置响应于操作温度的增加而增加一者或两者发光体的正向驱动电流。在一种布置中，所述随温度变化的电阻器具有负温度系数且与所述至少一个红色发光体串联连接。另外，所述随温度变化的电阻器具有正温度系数且与所述至少一个蓝色发光体串联连接。在又一布置中，所述蓝色及红色发光体与相应随温度变化的电阻器串联连接。在此布置中，连接到所述红色发光体的所述随温度变化的电阻器具有负温度系数，而连接到所述蓝色发光体的所述随温度变化的电阻器具有正温度系数。或者，所述随温度变化的电阻器中的每一者可具有负温度系数。在所述传感器包括随温度变化的电阻器的替代电路配置中，所述蓝色及红色发光体中的至少一者可与所述随温度变化的电阻器并联连接，且所述发光体从恒定电流源操作。此些电路配置作为分流器操作且响应于操作温度的改变而更改一者或两者发光体的正向驱动电流。在一种布置中，所述随温度变化的电阻器具有正温度系数，且与所述至少一个红色发光体并联连接。或者，所述随温度变化的电阻器具有负温度系数且与所述至少一个蓝色发光体并联连接。在又一布置中，所述蓝色及红色发光体与相应随温度变化的电阻器并联连接。在一种此布置中，与所述红色发光体并联连接的所述随温度变化的电阻器具有正温度系数，而与所述蓝色发光体并联连接的所述随温度变化的电阻器具有负温度系数。或者，所述随温度变化的电阻器中的每一者可具有正温度系数。在又一电路配置中，所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且所述随温度变化的电阻器具有负温度系数且与至少一个红色发光体串联连接，且经配置使得在操作时所述至少一个红色发光体的驱动电流相对于所述至少一个蓝色发光体的驱动电流随温度增加而增加。或者，所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且所述随温度变化的电阻器具有正温度系数且与所述至少一个蓝色发光体串联连接，且经配置使得在操作时所述至少一个蓝色发光体的驱动电流相对于所述至少一个红色发光体的驱动电流随温度增加而降低。在又一配置中，所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且相应随温度变化的电阻器与所述蓝色及红色发光体串联连接在使用随温度变化的电阻器来控制所述红色及/或蓝色发光体的驱动功率的电路配置中，电阻及温度系数经选择使得所述随温度变化的电阻器具有与所述蓝色及红色发光体中的至少一者的发射强度/温度特性有关的电阻/温度特性。在仅一个发光体的功率是可控制的配置中，电阻及温度系数经优选选择使得所述随温度变化的电阻器有与所述蓝色及红色发光体的发射强度/温度特性的差异有关的电阻/温度特性。在所述蓝色及红色发光体两者的功率是可控制的配置中，电阻及温度系数经选择使得所述随温度变化的电阻器具有与相应发光体的发射强度/温度特性有关的电阻/温度特性。在另外的装置中，所述驱动电路可操作以比较测得的温度与参考温度，且取决于温度差来控制一者或两者发光体的驱动电流或驱动电压以使红光及蓝光在发射产物中的相对比重保持大体上恒定。优选地，所述驱动电路可操作以控制所述红色发光体的驱动电流。或者，所述驱动电路可操作以控制所述蓝色发光体的驱动电流。方便来说，所述驱动电路包括电压比较器，所述电压比较器可操作以比较对应于测得的温度与参考温度的电压。如众所周知，LED是通常使用恒定电流源来操作，以及发明者已明白，与发光体的操作温度有关的参数是LED的正向驱动电压。因此，在一种布置中，所述驱动电路可操作以取决于所述蓝色及红色发光体中的至少一者的正向驱动电压而控制驱动电流。使用正向驱动电压来控制驱动电流的好处是不需温度传感器，使得所述驱动电路能够位于所述装置远端。在优选配置中，所述驱动电路可操作以取决于所述蓝色及红色发光体的正向驱动电压之间的差而控制驱动电流。此配置可使用电压比较器而实施，以比较所述蓝色及红色发光体的正向驱动电压以及控制驱动所述蓝色及/或红色发光体的可控制电流源的电流。
为了更好地理解本发明，现将仅以举例方式而参考附图描述根据本发明的高CRI白色发光装置及驱动电路，其中图Ia是如先前所述的蓝色及红色发光LED的发射光强度对操作温度的曲线图；图Ib是如先前所述包括蓝色及红色LED的已知白色发光装置的发射光的CCT及CRI对操作温度的曲线图；图2a是根据本发明的实施例的白色发光装置的平面视图；图2b是图2a的装置沿着A-A的截面视图；图2c是图2a的装置沿着A_A的截面视图，其展示替代磷光体配置；图2d是图2a的装置沿着A_A的截面视图，其展示另一替代磷光体配置；图2e是图2a的装置沿着A_A的截面视图，其具有远端磷光体配置；图3a是根据本发明的另一实施例的白色发光装置的平面视图；图3b是图3a的装置沿着A_A的截面视图4a是根据本发明的又一实施例的白色发光装置的平面视图；图4b是图4a的装置沿着A_A的截面视图；图5a是与随温度变化的电阻器串联连接的LED的电路图；图5b是对于图5a的电路的驱动电流40晕安、160晕安、350晕安、400晕安来说，正向驱动电流的百分比改变(AiF/iF)对随温度变化的电阻器电阻(Rt)的曲线图；图5c是对于图5a的电路的驱动电流40晕安、160晕安、350晕安、400晕安来说，正向驱动电流的百分比改变Λ iF/iF对由所述随温度变化的电阻器消耗的功率比例的曲线图；图5d是对于图5a的电路的驱动电流40晕安、160晕安、350晕安、400晕安来说，由所述随温度变化的电阻器耗散的功率比例对随温度变化的电阻器电阻Rt的曲线图；图5e到5 j是用于操作图2到4的装置的恒定电压驱动电路；图5k到5p是用于操作图2到4的装置的恒定电流驱动电路；图5q到5r是用于操作图2到4的装置的可控制电流驱动电路；图5s是蓝色及红色发光LED的正规化LED正向驱动电压Vf对操作温度的示意性曲线图；图5t到5x是用于操作图2到4的装置的可控制电流驱动电路；及图5y是蓝色及红色发光LED的LED正向驱动电压差Vfb-Vfk对操作温度的示意性曲线图。
具体实施例方式本发明的实施例是关于若干白色发光装置，所述白色发光装置包括至少一个蓝色固态发光装置，所述至少一个蓝色固态发光装置可操作以产生具有在400纳米到480纳米的范围(蓝色)中的主波长的蓝光；至少一个磷光体材料，其可操作以吸收由所述蓝色发光体发射的所述蓝光的一部分且发射具有在490纳米到590纳米的范围(蓝绿色到橙黄色)内的主波长的光；及至少一个红色固态发光体，所述至少一个红色固态发光体可操作以产生具有在600纳米到700纳米的范围(红色)内的主波长的红光。看似白色的所述装置的发射产物包括由所述蓝色及红色发光体产生的组合光及由所述磷光体材料产生的光。通常，所述装置经配置以具有至少80的CRI。所述装置进一步包括驱动电路，所述驱动电路可操作以响应于与所述蓝色及/或红色发光体的操作温度有关的参数而控制所述红色及/或蓝色发光体的功率(正向驱动电流、正向驱动电压或两者的组合)，以使得在所述发射产物中的红光对蓝光的相对比重(比率)保持大体上恒定。此装置可产生CRI及CCT大体上恒定的发射产物。通常，CRI及/或CCT的变动小于10%。用于控制所述发光体的驱动功率的所述参数可包括所述发光体的操作温度。在所述发光体是以恒定电流配置而驱动的其它布置中，所述参数可包括与所述发光体的操作温度有关的正向驱动电压。通常，所述驱动电路可并入于装置封装中或分开地提供到装置，例如作为用于操作所述装置的电源的一部分。发光装置、现将参考附图的图2a到2e、3a、3b、4a及4b描述根据本发明的发光装置的实例。在本说明书中，图编号之前的相同参考数字是用于表示相同部分。
现将参考图2a及2b描述根据本发明的实施例的一种白色发光装置200，图2a及2b分别展示所述装置的示意性平面视图及沿着A-A的截面视图。装置200经配置以产生具有约2700K的相关色温(CCT)、约750流明(Im)的最小发射光通量、100流明/瓦特的最小发光效率及80的最小CRI的白光。装置200包括封装202 (图2b)，例如(举例来说)在(Hwa SU等人)2010年5月16 H申请的题为“发光装置(Light Emitting Device) ”的同在申请中的第12/781，194号美国专利申请案中所述，所述申请案案的内容以引用方式全部并入本文中。封装202包括分层结构，所述分层结构依次包括I平方厘米铜(Cu)衬底204、电路层206及正方形陶瓷(Al2O3)顶部208。陶瓷顶部208包含圆形通孔，使得当顶部208安装到铜衬底204时，所述圆形通孔界定浅圆形凹口 210。蓝色(主波长在450纳米到480纳米范围内，通常约465纳 米)发光LED芯片212是与铜衬底204直接热连通地安装于凹口 210的底部的中心上。蓝色LED芯片212可包括(举例来说)基于氮化镓(GaN)的单片LED芯片阵列，例如由台湾Epistar Corporation6'制造的MC (多芯片)芯片。此LED多芯片通常具有450纳米、460纳米或470纳米的主发射波长及1500晕瓦特到2000晕瓦特的福射通量。所述装置进一步包括与铜衬底204直接热连通地相邻所述蓝色LED芯片212安装于凹口 210的底部上的两个红色(600纳米到700纳米)发光LED芯片214。红色LED芯片214可包括(举例来说)基于磷化铝镓铟(AlGaInP)的LED芯片，例如EpistarCoi-poratiori 的ES-LAS0PH42芯片。此些LED芯片通常具有615纳米的主发射波长及35流明到45流明的发射光通量。LED芯片212、214是通过接合线216电连接到电路层206。电路层206可包括若干薄铜迹线在一个或一个以上薄电绝缘层207上的布置，且经配置以依所需电路配置而互连所述LED。装置200进一步包括圆顶形(一般半球形)透镜218，透镜218在其平面基座上具有均匀厚度的磷光体材料220层。磷光体或光致发光材料220可操作以吸收由LED芯片212发射的蓝光的至少一部分且发射主波长在490纳米到590纳米范围(蓝绿色到橙黄色)内的光。本发明的装置尤其适合于连同无机磷光体材料使用，例如(举例来说)大体上组合物为A3Si (0，D)5 *A2Si(0，D)4的基于硅酸盐的磷光体，其中Si是娃，O是氧，A包括锶(Sr)、钡(Ba)、镁(Mg)或钙(Ca)，及D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基于硅酸盐的磷光体的实例揭示于US 7，575，697号美国专利“铕活化的基于硅酸盐的绿色憐光体(Europium activated silicate-based green phosphor)，，(转让给 Intematix公司)、US 7，601，276 “双相的基于娃酸盐的黄色磷光体(Two phase silicate-basedyellow phosphor) ” (转让给Intematix公司)、US 7, 655, 156 “基于娃酸盐的橙色磷光体(Silicate-based orange phosphor) ” (转让给 Intematix 公司)及 US 7, 311, 858 “基于娃酸盐的黄绿色憐光体(Silicate-based yellow-green phosphor) ”(转让给 Intematix公司)中，所述案的各者的说明书及图式以引用方式并入本文中。所述磷光体也可包括例如于同在申请中的US2006/0158090号专利申请案“基于铝酸盐的绿色磷光体(Aluminate-based green phosphor) ”中教示的基于招酸盐的材料；例如于同在申请中的 US2008/0111472 号申请案“娃酸招澄红色憐光体(Aluminum-silicate orange-redphosphor) ”中所教示的硅酸铝磷光体；或例如于2009年12月7日申请的同在申请中的第12/632，550号美国专利申请案中所教示的基于氮化物的红色磷光体材料。应明白，磷光体材料不限于本文中所述的实例，且可包括包含氮化物及/或硫酸盐磷光体材料、氮氧化物及氧硫酸磷光体或石榴石材料(YAG)的任何磷光体材料。粉末形式的磷光体材料220是以已知比例与液态粘合材料完全混合以形成悬浮液，且所得磷光体组合物是使用(举例来说)旋转涂布、丝网印刷、喷墨印刷、凸版印刷、凹版印刷或胶版印刷而沉积到透镜218的表面上。所述液态粘合材料可包括紫外光或热固化液态聚合物，例如紫外光固化丙烯酸酯粘合剂或硅酮。操作时，由装置200发射的光(看似白色)包括由蓝色LED芯片212、红色LED芯片214发射的组合光及由磷光体材料220产生的绿光/黄光。或者，如图2c中所示，磷光体材料220可并入于透镜218中，透镜218是由透光聚合物材料(例如光学级硅酮、丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))制造。在成品透镜218中，磷光体材料是均质地分布于所述透镜的整个体积。在另一布置中，透镜218可包括圆顶形(一般半球形)壳体，且磷光体材料磷光体材料220可作为一个或一个以上均匀厚度层而沉积在所述透镜的内曲面上(图2d)。如图2e中所示，且为了减少由LED产生的热转移到所述磷光体材料，进一步设想以光学组件形式(例如(举例来说)包含一个或一个以上磷光体材料220层的透光窗221)在装置200远端提供所述磷光体材料。另外，所述磷光体材料可并入于透光窗221中。包含磷光体材料220的窗221通过通常至少5毫米的长度L的空气间隙而与装置200物理分开，以提供所述磷光体材料的足够热隔离。将所述窗定位于所述装置远端提供许多好处，即减少所述磷光体材料的热降解。再者，与所述磷光体材料相邻或直接与LED的发光表面接触而提供的装置相比，在所述装置远端提供磷光体材料减少了由所述装置对背向散射的光的吸收。此外，将所述磷光体材料定位于远端使得能够产生更一致颜色及/或CCT的光，这是因为相比于直接提供所述磷光体到LED芯片的发光表面，所述磷光体材料是提供在大得多的区域上。窗221是由透光聚合物材料(例如光学级硅酮、丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或例如熔融石英的玻璃或例如Pyrex (Pyrex 是Corning公司的厂牌名称)的硼硅玻璃)制造。通常，窗221及装置200可并入于照明器材或照明模块中。现将参考图3a及3b描述根据本发明的另一实施例的白色发光装置300，图3a及3b分别展示所述装置的示意性平面视图及沿着线A-A的截面视图。装置300经配置以产生具有约2700K的相关色温(CCT)、约750流明(Im)的最小发射光通量、100流明/瓦特的最小发光效率及80的最小CRI的白光。除了装置300含有四个较低功率红色(600纳米到700纳米)发光LED芯片314以外，装置300与图2a及2b的布置几乎相同。LED芯片314是与铜衬底304直接热连通而围绕蓝色LED芯片阵列312安装于凹口 310的底部上。在此实施例中，红色LED芯片314可包括(举例来说)基于磷化招镓铟(AlGaInP)的LED芯片,例如Epistar Corporation*^ES-LAS0PH28芯片。此些LED芯片通常具有615纳米的主发射波长及25流明到30流明的发射光通量。在所述实施例中，透镜318是通过利用磷光体/聚合物混合物填充凹口 310而原位形成(模制)在封装302上。现将参考图4a及4b描述根据本发明的第三实施例的白色发光装置400，图4a及4b分别展示所述装置的示意性平面视图及沿着线A-A的截面视图。装置400经配置以产生具有约2700K的相关色温(CCT)、约750流明(Im)的最小发射光通量、100流明/瓦特的最小发光效率及80的最小CRI的白光。装置400包括低温共烧陶瓷(LTCC)封装402，例如在同在申请中的第US2009/0294780号美国专利申请公开案(2008年5月27日申请)中所述，所述案的内容以引用方式全部并入本文中。在所示的实施例中，封装402是正方形多层陶瓷封装，其具有二十五个(五行乘五列)圆形凹口 410的正方形阵列。每一凹口 410经配置以容纳相应LED芯片。封装402包括14毫米正方形陶瓷主体408，所述主体含有一个或一个以上由银(Ag)组成的电路层406。在每一凹口 410的底部上 ，提供银安装垫422。如所示，所述封装的下部面可包含导热基座424。通常，安装垫422是通过导热通孔426与所述基座热连通连接。二十个蓝色(450纳米到480纳米)发光LED芯片412是与银安装垫422直接热连通而安装在相应凹口 410的底部上。蓝色LED 412可包括(举例来说)基于氮化铟镓(InGaN)的LED芯片，例如Epistar Corporation 的ES-CABLV24B H9芯片。此LED多芯片通常具有450纳米、460纳米或470纳米的主发射波长及95晕瓦特到110晕瓦特的福射通量。所述装置进一步包括与银安装垫422直接热连通而安装于相应凹口 410内的五个红色(600纳米到700纳米)发光LED芯片414。红色LED 414可包括(举例来说)基于磷化铝镓铟(AlGaInP)的 LED 芯片，例如 Epistar Corporation 的 ES-LAS0PH24。此些 LED 芯片通常具有615纳米的主发射波长及10流明到17流明的发射光通量。如所示，所述五个红色LED芯片414定位于位于所述阵列的中心位置以及所述正方形(三行乘三列)的包围中心凹口的四个角落的每一者处的凹口 410内。LED芯片412、414是通过电路层406电连接。驱动电路现将参考图5a到5y描述用于操作本发明的装置的若干示范性驱动电路。所述驱动电路的每一者可操作以响应于与所述红色及/或蓝色LED芯片中的至少一者的操作温度T有关的参数而控制所述红色及/或蓝色LED芯片中的至少一者的驱动功率，以便最小化在所述装置的操作温度范围内在所述装置的发射产物中的红光对蓝光比率的变动。取决于其复杂性，所述驱动电路可容纳于装置封装内，或并入作为用于操作所述装置的电源的一部分。如将描述，取决于LED芯片的驱动配置，可通过控制所述红色及/或蓝色LED芯片的正向驱动电流iF、正向驱动电SVf或两者的组合而控制驱动功率。初步测试指示，通过适当电路配置，本发明的发光装置可产生发射产物，其中对于操作温度的改变50°C (AT =50°C )，CRI及CCT具有小于10%或甚至小于5%的变动。在所述的实施例中，用于控制LED芯片驱动电流的参数可包括所述红色及/或蓝色LED芯片的操作温度或与LED芯片操作温度有关的所述LED芯片的正向驱动电压Vf。如众所周知，可以恒定电压或恒定电流配置驱动LED。首先，描述基本上恒定电压配置的驱动电路。恒定电压驱动电路 在LED芯片是通过恒定驱动电压V驱动的驱动电路中，所述LED的正向驱动电流iF及/或驱动电压Vf可经控制以最小化在所述装置的操作温度范围内在所述装置的发射产物中的红光对蓝光比率的变动。在此些电路配置中，一者或两者LED芯片的温度可用于控制所述LED芯片的正向驱动电流及/或电压，且使用随温度变化的电阻器(热敏电阻器)来方便地感测温度。图5a展示与随温度变化的电阻器Rt串联连接的LED，所述LED是从恒定电压源V驱动。对于此电路来说，所述LED的正向驱动电SVf是通过以下关系给出Vf = V-Vet = V-iFRT其中V是所述恒定驱动电压，Vet是跨所述随温度变化的电阻器的电压降，及Rt是所述随温度变化的电阻器的电阻。如众所周知，随温度变化的电阻器的电阻是通过以下关系给出Rt = R0 (I+K (T-T0))其中T是温度，及K是所述随温度变化的电阻器的温度系数。LED的有效电阻(Vf/ iF)是温度的非线性函数，且随温度增加而降低。由于LED与具有负温度系数(NTC，即电阻随温度增加而降低)的随温度变化的电阻器串联连接，所以总电阻(RT+VF/iF)将随温度增加而降低。因为所述LED是从恒定电压源V驱动，所以正向驱动电流iF将随温度增加而增加。对于此电路布置来说，所述LED的正向驱动电流iF及正向驱动电压Vf将根据以下关系随温度改变
,KRfl+ 1丄！= - .
>,耵Ov1.
T aiF其中#是正向驱动电压随温度的改变，及#是LED正向驱动电压随正向驱动电
r)Tf^1!
流的改变。>及>的值可依据从恒定电压源(即，无热敏电阻器)驱动的LED的测得的
正向驱动电压Vf对温度T及所述正向驱动电压Vf对正向驱动电流iF特性凭经验确定。因此，可计算在不同温度处正向驱动电流iF的改变。图5b是对于40毫安、160毫安、350毫安和400毫安的驱动电流iF来说，在25°C到75°C (ΔΤ = 50°C )的操作温度范围内正向驱动电流的百分比改变(AiF/iF)对热敏电阻器电阻Rt的曲线图。在图5b中，所述LED是具有标准额定电流350毫安的Epistar Corporation ES-LAS0PH42红色LED芯片，且所述热敏电阻器有在25°C下的电阻10Ω及负温度系数(NTC)K = -O. 0038/°C。如从图5b可看出，在50°C温度变动(AT = 50 0C )内正向驱动电流的百分比改变AiF/iF是热敏电阻器电阻Rt及所述LED的正向电流的函数。对于具有电阻RtSIOQ的热敏电阻器来说，可实现在温度变动AT = 50°C内约16%的电流改变(调整)。如图5c及5d中所示，虽然较高电阻热敏电阻器具有将正向电流调整较大量的能力，但是较高电阻热敏电阻器将耗散(消耗)总功率的较大比例。举例来说，在25°C，总功率的约65%将由利用正向驱动电流350毫安或400毫安驱动的LED的热敏电阻器耗散。因此，必须实现介于此两种效果(电流调整量对热敏电阻器功率消耗)之间的平衡。举例来说，如果所述LED芯片是通过使用5 Ω (在25°C)热敏电阻器而利用驱动电流40毫安驱动，那么总功率的最大10%是由所述热敏电阻器耗散，且电流。可经调整高达15%。对于利用驱动电流160毫安驱动且通过2. 2Ω热敏电阻器驱动的LED芯片来说，最大高达15%总功率是由所述热敏电阻器消耗，且iF可经调整高达13%。对于使用I. I Ω热敏电阻器驱动的驱动电流160毫安来说，所述热敏电阻器耗散总功率的高达15%，且iF可经调整高达11%。应了解，所述热敏电阻器的电阻及其温度系数是根据LED芯片的类型、LED芯片的温度特性及LED芯片的互连(串联、并联或其组合)来选择。在优选解决方案中，Rt的值经选择使得所述热敏电阻器消耗总功率的小于15%，但仍提供> 10%的电流调整(补偿)。图5e是第一驱动电路530，其中装置500的红色LED芯片514与NTC热敏电阻器532串联连接且从恒定电压源Vk操作，而蓝色LED芯片512是直接从恒定电压源Vb驱动。如所述，热敏电阻器532的电阻取决于温度，且可操作以取决于所述红色及/或蓝色LED芯片的操作温度而控制所述红色LED芯片的正向驱动电流iFK。举例来说，在发光装置200、300(图2及3)中，热敏电阻器532可与铜衬底204、304热连通而安装在封装的凹口 210、310中。在此布置中，热敏电阻器532感测所述衬底的温度T，所述温度与所述红色及蓝色LED芯片的操作温度有关。在发光装置400(图4)中，热敏电阻器532可与对应于所述蓝色或红色LED芯片的银安装垫422热连通而安装，或与导热基座424热连通而安装。
如上所述，由红色发光LED发射的光的强度通常比由蓝色发光LED发射的光的强度随操作温度增加而降低得快得多(图Ia)。在图5e的电路配置中，热敏电阻器532具有负温度系数，且所述热敏电阻器的电阻及温度系数经选择以具有与介于红色及蓝色LED发射强度/温度特性之间的差异有关的电阻/温度特性。操作时，当LED芯片512、514的温度增加时，热敏电阻器532的电阻降低，导致红色LED芯片514的正向驱动电流iFK增加。正向驱动电流iFK的改变导致所述红色LED芯片的发射强度增加。电路530经配置以最小化在所述装置的操作温度范围内在发射产物中的红光对蓝光比重的比率的任何变动，且因此减少由所述装置发射的光的CCT及/或CRI的变动。理想情况下，所述电路将经配置以使在所述操作温度范围内在发射产物中的红光及蓝光的相对比重保持恒定。因为在所述装置的操作温度范围内，充分控制所述LED的电流以使在所述发射产物中的红光对蓝光比重的比率保持恒定可能是不实际的，实际上，所述电路经配置以确保在所述操作温度范围内所述相对比重的任何变动均小于选定值，20%或更低，优选小于10%、更优选小于5%，以及理想1%或更低。因为所述电路不会补偿蓝色LED芯片的发射强度随温度增加而降低，所以所述装置的总发射强度在较高操作温度处将更低。 在替代驱动电路534中，如图5f中所示，热敏电阻器536可与蓝色LED芯片512串联连接且从恒定电压源Vb操作，而红色LED芯片是从恒定电压源Vk驱动。热敏电阻器536可操作以测量所述红色及/或蓝色LED芯片的操作温度。在电路配置534中，热敏电阻器536优选具有正温度系数(即，电阻随温度增加而增加)，且所述热敏电阻器经选择以具有与介于红色及蓝色LED发射强度/温度特性之间的差异有关的电阻/温度特性。操作时，当LED芯片512、514的温度增加时，热敏电阻器536的电阻Rt增加，导致总电阻(RT+VF/iF)增加以及蓝色LED芯片512的正向驱动电流iFB降低。正向驱动电流的降低导致蓝色LED芯片的发射强度降低。电路534经配置使得在所述装置的操作温度范围内，来自红色及蓝色LED芯片的光发射的比率(相对比重)的变动小于选定值，因此减少由所述装置发射的光的CCT及/或CRI的变动。然而应明白，虽然最小化CCT及/或CRI的任何变动，但是所述装置的总发射强度将随操作温度增加而降低，这是因为所述电路不会补偿红色LED芯片的发射强度的降低。图5g展示驱动电路538，其中相应热敏电阻器532、536与红色及蓝色LED芯片串联连接且用于独立地控制所述红色及蓝色LED芯片的正向驱动电流。驱动电路538是电路530 (图5e)及534(图5f)的组合。每一热敏电阻器532、536可为可操作以感测相应LED芯片群组的操作温度或可操作以测量所述红色及蓝色LED芯片的操作温度。在驱动电路538的一种布置中，热敏电阻器532是NTC装置，且热敏电阻器536是PTC装置。利用此配置，操作温度的增加将导致红色LED芯片的正向驱动电流iFK的增加以及蓝色LED芯片的正向驱动电流iFB的降低。正向驱动电流的改变的净效应减少了来自红 色及蓝色LED芯片的光发射的比率的任何改变，且因此减少由所述装置发射的光的CCT及/ 或CRI的变动。虽然所述CCT及/或CRI保持大体上恒定，但是归因于来自蓝色LED芯片的光发射的降低，总发射强度将降低。如上所述(图5a)，初步结果指示，串联连接的热敏电阻器实现在温度范围25°C到75°C (ΔΤ = 50°C )内正向驱动电流约15%到20%的最大改变。在此温度范围内，红色LED的发射强度可降低40%，而蓝色LED芯片的发射强度降低约5% (图Ia)，所述5%等同于约47%的红光对蓝光比率的变动。通过配置所述电路以随温度增加而降低蓝色LED芯片的发射强度及增加红色LED芯片的发射强度实现了在给定操作温度范围内增加驱动电流的总的最大改变。举例来说，设想此配置可实现在25°C到75°C的操作温度范围内驱动的约30%到40%的总的最大改变，因此实现将红光对蓝光的比率的变动最小化为约7%的变动。在驱动电路538的替代布置中，热敏电阻器532、536两者可均为NTC装置且经选择以具有与相应LED发射/温度特性有关的电阻/温度特性。利用此配置，操作温度的增加将导致红色LED芯片及蓝色LED芯片两者的正向驱动电流的增加。虽然此电路布置可另外减少发射强度的任何改变，但是在相同操作温度范围内CRI及CCT的变动可更大。图5h展示又一驱动电路540，其中取决于LED芯片温度而控制红色LED芯片514
的正向驱动电流iFK，且蓝色LED芯片512是从恒定电压源驱动。在配置540中，红色LED
芯片514与具有电阻Rtp的PTC热敏电阻器542并联连接且所述并联组合与具有电阻Rts的
NTC热敏电阻器532串联连接，且从恒定电压源Vk操作。蓝色LED芯片512是直接从恒定
电压源Vb驱动。操作时，当LED芯片512、514的温度增加时，热敏电阻器532的电阻降低
且热敏电阻器542的电阻增加，导致红色LED芯片514的正向驱动电流iFK增加。所述正向
驱动电流是通过以下关系给出
V -V V
r____I _ vR vFR , vFRIfr - -
TsAv Tp其中Vfk是红色LED芯片的正向驱动电压，Rts是热敏电阻器532的电阻且通过关系Rts = Ros(1+KS(T-T0))给出，且Rtp是热敏电阻器542的电阻且通过关系Rtp =Rop(1+Kp(T-T0))给出。正向驱动电流iFK随温度的改变是通过以下关系给出
-、/ 、 KsRos-K1R P R [S
I r|/ fP \ /iP
KsRos+-1 + i +^--^I ^fr _ _V U 1 i'R_Rtp_
lpR dT^ 5+~ ι+—
^fr V Rtp》
为了确保热敏电阻器532、542不会消耗总功率的太多(优选彡15% )
权利要求
1.一种白色发光装置，其包括 至少一个蓝色固态发光体，其可操作以产生主波长在400纳米到480纳米范围内的蓝光; 至少一个磷光体材料，其可操作以吸收所述蓝光的一部分且发射主波长在490纳米到590纳米范围内的光；及 至少一个红色固态发光体，其可操作以产生主波长在600纳米到700纳米范围内的红 光; 其中所述装置的发射产物包括由所述蓝色及红色发光体产生的组合光及由所述至少一个磷光体材料产生的光，且看似白色 '及 驱动电路，其可操作以补偿所述发射产物中的红光对蓝光比率的变动，使得在至少250C的操作温度范围内，所述变动小于20%。
2.根据权利要求I所述的装置，其中所述驱动电路经配置以使得操作时，在所述操作温度范围内所述变动是选自由小于10%、小于5%及小于1%组成的群组。
3.根据权利要求I所述的装置，其中所述驱动电路经配置以用于在选自由至少25°C、至少50°C及至少100°C组成的群组的操作温度范围内操作。
4.根据权利要求I所述的装置，且所述装置经配置使得所述发射产物具有选自由至少80、至少85、至少90及至少95组成的群组的显色指数。
5.根据权利要求I所述的装置，其中所述驱动电路可操作以响应于与所述蓝色及红色发光体中的至少一者的操作温度有关的参数而控制所述红色及蓝色发光体中的至少一者的功率。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述参数包括所述蓝色及红色发光体中的至少一者的温度。
7.根据权利要求6所述的装置，其进一步包括用于感测所述红色及/或蓝色发光体的所述温度的传感器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体安装成与导热衬底热连通，且其中所述传感器经配置以感测所述衬底的温度。
9.根据权利要求6所述的装置，且其包括用于感测所述蓝色及红色发光体的所述温度的相应传感器。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述传感器包括随温度变化的电阻器。
11.根据权利要求7所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体中的至少一者与所述随温度变化的电阻器串联连接，且所述发光体可从恒定电压源操作。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述随温度变化的电阻器具有负温度系数，且与所述至少一个红色发光体串联连接。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述随温度变化的电阻器具有正温度系数，且与所述至少一个蓝色发光体串联连接。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体与相应随温度变化的电阻器串联连接。
15.根据权利要求7所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体中的至少一者与所述随温度变化的电阻器并联连接，且所述发光体可从恒定电流源操作。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述随温度变化的电阻器具有正温度系数，且与所述至少一个红色发光体并联连接。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述随温度变化的电阻器具有负温度系数，且与所述至少一个蓝色发光体并联连接。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体与相应随温度变化的电阻器并联连接。
19.根据权利要求10所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且其中所述随温度变化的电阻器具有负温度系数且与所述至少一个红色发光体串联连接，且经配置使得操作时所述至少一个红色发光体的驱动电流相对于所述至少一个蓝色发光体的驱动电流随温度增加而增加。
20.根据权利要求10所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且其中所述随温度变化的电阻器具有正温度系数且与所述至少一个蓝色发光体串联连接，且经配置使得操作时所述至少一个蓝色发光体的驱动电流相对于所述至少一个红色发光体的驱动电流随温度增加而降低。
21.根据权利要求10所述的装置，其中所述蓝色及红色发光体并联连接且从恒定电流源驱动，且所述装置包括与所述蓝色及红色发光体串联连接的相应随温度变化的电阻器。
22.根据权利要求6所述的装置，其中所述驱动电路可操作以取决于测得的温度与参考温度之间的差而控制一个或两个发光体的驱动电流。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述驱动电路包括比较器，所述比较器可操作以比较所述测得的温度与所述参考温度。
24.根据权利要求I所述的装置，其中所述参数包括所述蓝色及红色发光体中的至少一者的正向驱动电压。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述驱动电路可操作以取决于驱动电压与参考电压之间的差而控制一个或两个发光体的驱动电流。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述驱动电路包括比较器，所述比较器可操作以比较所述测得的电压与参考电压。
27.根据权利要求24所述的装置，其中所述驱动电路可操作以取决于所述蓝色及红色发光体的正向驱动电压的差而控制所述驱动电流。
28.根据权利要求I所述的装置，其中所述至少一个磷光体材料与所述至少一个蓝色LED物理地分离至少5毫米的距离。
29.一种白色发光装置，其包括 至少一个蓝色LED，其可操作以产生蓝光； 至少一个磷光体材料，其可操作以吸收所述蓝光的一部分且发射绿光/黄光 '及 至少一个红色LED，其可操作以产生红光； 其中所述装置的发射产物包括由所述蓝光及红光LED产生的组合光及由所述至少一个磷光体材料产生的绿光/黄光，且看似白色 '及 驱动电路，其可操作以补偿所述发射产物中的红光对蓝光比率的变动，使得在至少250C的操作温度范围内，所述变动小于20%。
全文摘要
本发明揭示一种高显色指数CRI白色发光装置，其包括蓝色固态发光体(LED)，其可操作以产生蓝光；磷光体材料，其可操作以吸收所述蓝光的一部分且发射绿光/黄光；及红色固态发光体(LED)，其可操作以产生红光。所述装置的发射产物包括由所述蓝色及红色LED产生的组合光及由所述磷光体材料产生的绿光/黄光，且看似白色。所述装置进一步包括驱动电路，所述驱动电路可操作以补偿所述发射产物中的红光对蓝光比率(相对比重)的变动，以便确保所述变动在至少25℃的操作温度范围内小于20％。所述驱动电路可减少所述装置的发射产物在所述操作温度范围内的CRI及CCT变动。
文档编号H01L33/00GK102668134SQ201080058790
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月19日
发明者李依群, 王刚 申请人:英特曼帝克司公司