高功率LED照明設(shè)計中的散熱控制方案

　　與白熾燈鎢絲燈泡不同，高功率LED不輻射熱量。與之相反，LED將其PN結(jié)的熱量傳導(dǎo)到LED封裝的散熱金屬小塊上。由于LED產(chǎn)生的熱量采用傳導(dǎo)方式散發(fā)，因此這些熱量需要一個更長、更昂貴的路徑才能完全散發(fā)到空氣中去。目前HB LED通用照明的一個最大商業(yè)化障礙就是其散熱問題，因此能否徹底有效地解決這問題可以說是贏得客戶的關(guān)鍵。本文將為你分享Zetex的LED照明專家在解決散熱問題時的獨(dú)到經(jīng)驗(yàn)。

　　在迅速發(fā)展的LED照明設(shè)計中，大多數(shù)人將注意力集中在高亮度(HB)LED的調(diào)光控制策略上。不過，HB LED照明應(yīng)用的本質(zhì)要求我們將更多的注意力轉(zhuǎn)移到散熱控制上。

　　雖然LED制造商通過大幅提高每瓦的流明數(shù)正在降低HB LED照明設(shè)計的技術(shù)障礙，但與光輸出相比，仍有更多的電能轉(zhuǎn)化為要散發(fā)出去的熱量。因此需要一個散熱管理的總體戰(zhàn)略，以確保LED散發(fā)的熱量可控制為一個溫度的函數(shù)。

　　圖1中曲線顯示了1W LED的典型性能下降特性。正如所期望的那樣，這清楚地表明，被恒定電流驅(qū)動的LED在到達(dá)某一點(diǎn)后，該恒流需要線性地減少，直到在150℃這一點(diǎn)上達(dá)到0。恒流下降點(diǎn)和減小斜率取決于機(jī)械/散熱安排。

　　因此電子控制電路必須能夠處理觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置和增益設(shè)置。另外需要記住的很重要一點(diǎn)是， 事實(shí)上LED需要能夠應(yīng)付三個潛在的散熱源：自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子控制。如果LED照明采用的是遠(yuǎn)程電子控制，那么這將不是一個問題，不過EMC可能是一個問題。

　　如果我們再去翻教科書的話，我們會發(fā)現(xiàn)控制LED的第一個和最明顯的方法是通過一個電阻。雖然這是一個低成本的方法，但它不可避免地會導(dǎo)致功率損耗，而這否定或削弱了LED的關(guān)鍵效率屬性。

　　使用可變電阻作為調(diào)光元件的方法對HB LED來說也是不切實(shí)際的，因?yàn)殡娮枭舷牡墓β侍罅?，而且需要專用的繞線電阻。舉例來說，為了驅(qū)動一個1W LED，需要從12V電源產(chǎn)生350毫安電流，在全亮度時，約2.5W將被浪費(fèi)在調(diào)光電阻上。而且如果電阻與LED的位置很接近，該電阻產(chǎn)生的附加熱量將只會使散熱問題變得更加嚴(yán)重。

　　當(dāng)然，導(dǎo)通元件也可以是晶體管，這意味著功耗發(fā)生在晶體管，而不是可變電阻上。這種方法通過生成對數(shù)響應(yīng)、以及用于熱控制和亮度定義的負(fù)(NTC)或正(PTC)溫度系數(shù)熱敏電阻，提供了更多的靈活性。然后，只要稍加一點(diǎn)想象力就可以很容易地想到用光反饋方法來進(jìn)行自動亮度控制。

　　晶體管可采用任何類型：MOSFET、NPN雙極型或PNP雙極型。令人驚訝的是，一些更崇拜數(shù)字技術(shù)的工程師仍然認(rèn)為，MOSFET是這一應(yīng)用的更好選擇，因?yàn)樗鼈兊牡蛯?dǎo)通電阻!但事實(shí)上，不管你選擇什么類型的硅晶體管，其線性功耗是一樣的。它仍是以熱形式表現(xiàn)出來的浪費(fèi)的功率，而且這一熱量需要設(shè)計師考慮如何散發(fā)出去。

　　利用熱敏電阻的LED散熱控制的最簡單實(shí)現(xiàn)方法采用了一個PTC元件。這是一個熱復(fù)位保險絲，它可以用來作為一個過流或過熱保護(hù)元件，如果它緊靠LED安裝的話。這里需要考慮到安全因素。

　　PTC元件提高了隨溫度增長的標(biāo)稱低電阻，一直到其觸發(fā)點(diǎn)。因此，它并不起隔離作用。PTC是一個非線性元件，當(dāng)溫度升到約125℃時它會產(chǎn)生一個有效的開關(guān)動作。但到達(dá)這一點(diǎn)以前，溫度并不會以某種受控方式隨著LED電流降額曲線而減少。

　　此外，LED照明策略會由于過溫情況而要求一個零光輸出嗎?LED的主要用途是照明而不是自我保護(hù)。過熱和降溫可能導(dǎo)致一個熱循環(huán)，而這將導(dǎo)致LED的低頻閃爍。

　　NTC熱敏電阻的電阻值會隨著溫度產(chǎn)生連續(xù)的但非線性的變化。隨溫度的變化值取決于特定NTC元件的β值，典型的數(shù)字是2700、3590和4400。標(biāo)稱電阻值通常指的是25℃下的數(shù)值，目前市面上的NTC熱敏電阻的電阻值從10歐姆到幾兆歐姆不等。

　　與線性或開關(guān)穩(wěn)壓器一起使用時，熱敏電阻通常用作控制元件。電阻隨溫度的變化值可以通過一個公式計算出來，但通常以-40℃至150℃溫度范圍內(nèi)的一個電阻值表表達(dá)出來。

　　表1：該表顯示了一個典型的10kΩ標(biāo)稱熱敏電阻在3個不同β值時的電阻值。

　　就如同在生活中常常發(fā)生的情況一樣，熱敏電阻的非線性響應(yīng)在你希望它最敏感的區(qū)域常常只有最小的靈敏度。在較低溫度下，電阻的變化要比在更高的溫度時更為顯著。因此可以總結(jié)為，β值越大，隨著溫度的升高電阻下降得更快。見圖2所示。通過并聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娮?，響?yīng)可以變得更線性。

　　圖2：熱敏電阻值隨溫度的典型變化圖

　　溫度傳感器的位置也非常重要，因?yàn)樗枰惭b在離LED的裸片盡可能近的地方，以避免在LED溫度升高時的熱梯度和響應(yīng)延遲。

　　如果我們再回過去看第一部分的圖1，很顯然，必須更多地考慮溫度較低時的情況。如果熱敏電阻在控制電路中的作用是，在溫度升高時降低電流，那么它也有可能在溫度降低時提高電流。這可能會導(dǎo)致LED的瞬態(tài)過熱，并使得結(jié)溫超過其額定值。LED的自發(fā)熱問題可以自我控制的方法解決，但其隱含的熱應(yīng)力問題是我們不希望看到的。因此更好的方法是采用一個鉗位配置，以確保電流不會隨著溫度下降而繼續(xù)增加。

　　圖3顯示了一個典型的采用簡單熱控制的降壓穩(wěn)壓器例子。它的優(yōu)勢是利用了Zetex半導(dǎo)體公司ZXLD1350的ADJ引腳。通過使用一個PNP晶體管作為發(fā)射極跟隨器和使用該引腳的內(nèi)部250kΩ電阻作為負(fù)載來過驅(qū)該引腳，LED電流將與熱敏電阻成比例地下降。隨著溫度下降，熱敏電阻的阻值增加，但由于基準(zhǔn)(base)電壓增加超出了ADJ參考電壓，該晶體管就會關(guān)閉，LED僅獲得其最高設(shè)置電流，從而有效地鉗住低溫響應(yīng)。

　　圖3：采用簡單熱控制的降壓穩(wěn)壓器

　　匹配某一給定LED的熱降額曲線將取決于許多因素，就如前面所討論的一樣。良好的熱模型將有助于第一次就完成匹配，但也很可能需要一些試驗(yàn)才能匹配觸發(fā)點(diǎn)(trip point)和增益系數(shù)。圖4顯示了采用圖3電路的一些測試結(jié)果。

　　圖4：采用圖3電路的一些測試結(jié)果

　　應(yīng)當(dāng)指出的是，如果圖3的熱控制電路靠近LED，那么晶體管將受到LED自發(fā)熱的影響。這將增加約-2.2mVC的變暗效果。

　　熱敏電阻或其它溫度傳感器也可以與PWM熱控制結(jié)合使用。圖5顯示了一個簡單的框圖。

　　圖5：PWM熱控制框圖

　　亮度的PWM控制是許多高亮度LED制造商的首選方法，這是因?yàn)樗墒沟肔ED在整個亮度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持其顏色特征。這一點(diǎn)在RGB混色應(yīng)用中尤其重要。這是很難實(shí)現(xiàn)的，但一般來說調(diào)光功能是比較受人歡迎的，而且該技術(shù)也開始側(cè)重于微控制器接口實(shí)現(xiàn)。

　　PWM調(diào)光通常采用高于眼睛閃爍頻率100Hz的低頻率。盡管設(shè)計者必須考慮該LED照明應(yīng)用是否是一個便攜式或固定應(yīng)用，因?yàn)榭赡軙l(fā)生的頻閃效應(yīng)要求采用更快的PWM頻率。這是針對移動車輛或甚至手電筒照明的考慮。

　　如果PWM調(diào)光與一個開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用，通常該技術(shù)用于快速調(diào)節(jié)LED電流。這將使EMI問題變得更加嚴(yán)重。它也可能使EMI問題變得更好，如果它有效地抖動開關(guān)頻率，從而可減少準(zhǔn)峰值EMI信號。

　　這里也需要有音頻方面的考慮。PWM頻率越高，開關(guān)穩(wěn)壓器電感在PWM調(diào)光頻率處共振的可能性就越高。這在1kHz處將比100Hz更加明顯，部分原因是電感的更差基底響應(yīng)和耳朵的頻率響應(yīng)。

　　盡管有所有這一切因素，但PWM調(diào)光仍然能提供一個更好的亮度控制。從模擬的而不是數(shù)字的角度來看，線性控制更容易實(shí)現(xiàn)。您可能需要考慮眼睛對亮度變化的對數(shù)響應(yīng)。這可能導(dǎo)致要求使用對數(shù)電位器以產(chǎn)生明顯的線性亮度控制。

　　結(jié)論

　　熱控制是高亮度LED控制的一個非常重要方面。熱敏電阻的正確應(yīng)用提供了一個簡單和通用的LED溫度控制方法。這可以通過線性技術(shù)或開關(guān)技術(shù)做到。PWM控制提供了最好的總體方法，但必須小心考慮所有照明系統(tǒng)的要求，而不只是光的要求。