淺談SSL設(shè)計中熱管理的LED 驅(qū)動器解決方案

　　隨著大功率 LED 技術(shù)的成熟，工程師收集的數(shù)據(jù)定量地證實了過熱如何縮短固態(tài)照明 （SSL） 的壽命。例如，在 120°C 的結(jié)溫下工作持續(xù) 60，000 小時的 LED 在 150°C 的工作溫度下難以發(fā)光超過 10，000 小時。因此，熱管理很快成為 SSL 設(shè)計過程的關(guān)鍵部分。

　　設(shè)計人員通常使用被動技術(shù)來散熱。在正常運行期間，此類方法運行良好，但當(dāng) SSL 暴露于異常溫暖的溫度時，可能難以散發(fā)所有熱量。

　　最近，LED 電源（LED 驅(qū)動器）制造商為其設(shè)備添加了限流功能，允許工程師確定 LED 結(jié)溫并在溫度過高時調(diào)低燈芯。過溫保護(hù)可延長 LED 壽命并最大限度地減少災(zāi)難性故障。主動保護(hù)方法還鼓勵使用更小的散熱器——節(jié)省成本和空間——并對特定產(chǎn)品的最高工作溫度提供更大程度的控制。本文將介紹這些較新的熱管理技術(shù)是如何工作的。

　　殺手開爾文

　　熱量是使 LED 發(fā)光的電致發(fā)光過程的副產(chǎn)品。半導(dǎo)體中空穴和電子的復(fù)合導(dǎo)致一些光子離開 LED 并有助于整體照明，但其他光子在芯片中被重新吸收，從而產(chǎn)生熱量。器件運行時 LED 晶格的微小振動也會使溫度升高。盡管與傳統(tǒng)光源相比，LED 的效率更高，但應(yīng)用到設(shè)備上的大約 70% 到 80% 的電能仍然轉(zhuǎn)化為熱能而不是光能。

　　因為LED結(jié)小，能量密度高，溫度上升快。現(xiàn)代芯片的結(jié)溫 （T J ） 升至 140°C 及以上的情況并不少見。在高溫下長時間運行是不可取的，因為它會導(dǎo)致色度漂移并縮短壽命。（請參閱 TechZone 文章“白光 LED 色度的熱效應(yīng)”和“了解高亮度 LED 褪色的原因。”）

　　Cree、Lumileds、歐司朗和首爾半導(dǎo)體等 LED 制造商提供了有關(guān)溫度對壽命影響的有用信息，這些信息來自多年的可靠性測試數(shù)據(jù)。例如，圖 1 顯示了 Lumileds LUXEON C白光 LED 在結(jié)溫升高時的估計壽命。左軸代表相對光度。LED 制造商認(rèn)為，當(dāng) LED 的亮度低于新時輸出的 70% （L70） 時，LED 已“失效”。LUXEON C 是一款 118 lm、120 lm/W（在 350 mA、2.75 V 時）的 LED，從圖中可以看出，僅 20°C 的差異就可以將 LED 的壽命縮短約 60，000 小時（從T J的 L70 為 80，000 小時= 115°C 至 20，000 小時，T J = 135°C）。1

　　圖 1：結(jié)溫對 LUXEON C LED 發(fā)光度的影響。（LED 壽命是在亮度下降到新時的 70% 時測量的。）

　　考慮到使用 LED 進(jìn)行設(shè)計時熱管理的重要性，設(shè)計界有大量關(guān)于該主題的設(shè)計信息也就不足為奇了。Digi-Key 文章庫中有關(guān) LED 熱管理的項目包括“了解 LED 內(nèi)部熱阻”、“基于 LED 的燈具的熱考慮因素”和“ LED 熱管理基礎(chǔ)知識”。此外， Digi-Key 網(wǎng)站上有許多LED 散熱產(chǎn)品。

　　被動熱管理技術(shù)在鞏固 LED 照明進(jìn)入主流照明領(lǐng)域方面發(fā)揮了重要作用。設(shè)計工程師通常會指定低熱阻 LED 和基板，并輔以散熱片，以從器件結(jié)處散熱。然而，雖然這種技術(shù)的效果令人滿意，但它確實有許多缺點，包括增加照明設(shè)備的尺寸和增加成本。散熱器可以占 SSL 夾具成本的三分之一。此外，作為一種被動方法，機械熱管理無法補償環(huán)境溫度的大幅波動，例如室外 SSL 可能受到的影響。

　　主動熱管理

　　最近，設(shè)計人員專注于用有源技術(shù)補充無源熱管理，以應(yīng)對“極端”情況，否則 LED 壽命會顯著縮短，或者設(shè)備甚至可能發(fā)生災(zāi)難性故障。保護(hù) LED 最簡單的方法是選擇具有過溫保護(hù)功能的 LED 驅(qū)動器。

　　許多現(xiàn)代 LED 驅(qū)動器都包含過熱保護(hù)。例如，Analog Devices 最近推出的ADP8140 就擁有這樣的功能。ADP8140 是一款線性穩(wěn)壓器，工作電壓為 3 至 30 V，提供高達(dá) 500 mA 的恒定電流。如果 LED 驅(qū)動器的芯片溫度超過 150°C，ADP8140 將關(guān)斷功率級。當(dāng)溫度降至 130°C 以下時，ADP8140 重新啟動電源。如果故障或高功率耗散仍然存在，則重復(fù)該序列。（請注意，ADP8140 還可與外部熱傳感器一起使用以增強熱保護(hù)。）

　　過溫保護(hù)依賴于測量 LED 驅(qū)動器的溫度而不是 LED 結(jié)本身的溫度，其缺點是缺乏精度。即使設(shè)備非常接近，LED 驅(qū)動器也可能比 LED 溫度高幾度，這可能會在并非絕對必要時觸發(fā)關(guān)機。更糟糕的是，情況可能正好相反，導(dǎo)致 LED 在 LED 驅(qū)動器斷電之前損壞。第二個缺點是許多 LED 驅(qū)動器的過熱保護(hù)包括在達(dá)到閾值溫度時完全切斷電源。這幾乎不方便，尤其是當(dāng)燈光照亮公共空間時。因此，工程師傾向于將關(guān)斷功能設(shè)置為在非常高的溫度下發(fā)生。

　　此外，許多 LED 驅(qū)動器會在系統(tǒng)冷卻后自動重啟。如果過熱是由故障或環(huán)境溫度異常高等極端情況引起的，則系統(tǒng)很可能會再次快速關(guān)閉，從而導(dǎo)致令人不安的閃爍效應(yīng)。

　　與在達(dá)到設(shè)定溫度時簡單地關(guān)閉 LED 驅(qū)動器相比，一種更巧妙的技術(shù)是采用反饋回路，該反饋回路包括一個位于非?？拷?LED 結(jié)點的熱傳感器。通過在照明電路中添加負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻（通常具有小封裝尺寸并具有良好的性價比），可以逐漸降低驅(qū)動 LED 的電流，從而降低功耗以限制結(jié)溫。

　　盡管降低電流會降低亮度，但設(shè)計人員可以設(shè)置最小電流，以使 NTC 傳感器啟動時的亮度變化低于消費者可以檢測到的閾值。幸運的是，人眼在檢測高亮度設(shè)備中的光度變化方面很差，因此在控制溫度和顯著降低光度之間的平衡方面具有合理的靈活性。無論如何，調(diào)暗而不是關(guān)閉要方便得多。

　　LED 驅(qū)動器制造商通過在其芯片中添加一個專用引腳來接受電阻器的輸入，從而使將 NTC 電阻器集成到固定電子設(shè)備中變得更加簡單。NTC 熱敏電阻被稱為熱折返電路，盡可能靠近 LED 的結(jié)點放置，以提高溫度測量的精度。隨著溫度升高（高于設(shè)計人員確定的設(shè)定值），熱敏電阻的電阻降低，從而觸發(fā)驅(qū)動 LED 的輸出電流相應(yīng)降低。LED 驅(qū)動器制造商使用脈寬調(diào)制 （PWM） 或模擬調(diào)光來降低輸出電流。（請參閱 TechZone 文章“熱折返如何提高 LED 照明燈具的可靠性。”）

　　LED 驅(qū)動器通常將連接到熱傳感器的電流降低電路集成到其產(chǎn)品中。例如， ON Semiconductor 的 CAT4101是一款具有熱折返功能的 1 A 恒流線性 LED 驅(qū)動器。LED 驅(qū)動器在 3 至 5.5 V 輸入范圍內(nèi)工作，并提供高達(dá) 1 A 的 25 V 輸出。一旦 LED 結(jié)溫超過 150°C，就會通過改變 PWM 占空比來降低電流。圖 2 顯示了 LED 驅(qū)動電流（紅色）如何隨 NTC 熱敏電阻的電阻特性（藍(lán)色）變化。2

　　圖 2：ON Semiconductor 的 CAT4101 LED 驅(qū)動器的熱折返特性。

　　除其他外，德州儀器（TI） 還提供一系列具有熱折返功能的 LED 驅(qū)動器。例如，LM3424是降壓/升壓（“降壓/升壓”）LED 驅(qū)動器。該器件能夠在 4.5 至 75 V 輸入下工作，同時提供高達(dá) 5 A 的恒定電流。熱折返功能允許工程師對斷點（電流降低開始的溫度）和電流降低梯度進(jìn)行編程坡。

　　改善 LED 熱保護(hù)

　　雖然基于溫度傳感器的熱管理技術(shù)工作得相當(dāng)好，但也有一些缺點。首先，添加 NTC 熱敏電阻會增加復(fù)雜性；準(zhǔn)確度、響應(yīng)和梯度取決于設(shè)備的安裝方式。其次，除非指定高端（因此價格昂貴）器件，否則溫度/電阻斜率不是線性的，這使得電流的精確控制更加困難。第三，僅靠電流降低有時不足以將結(jié)溫限制在安全區(qū)域，從而迫使工程師使用傳統(tǒng)的過熱保護(hù)來支持保護(hù)。

　　由于基于 NTC 熱敏電阻的熱折返技術(shù)的缺點，一些 LED 驅(qū)動器制造商已將熱保護(hù)更進(jìn)一步。英飛凌科技 實施了一項正在申請專利的技術(shù)，即 LED 驅(qū)動器本身成為溫度傳感元件，完全省去了 NTC 熱敏電阻。該公司已在其ILD6070 LED 驅(qū)動器 IC 中實施了該技術(shù)。ILD6070 是一款降壓轉(zhuǎn)換器，能夠在 4.5 至 60 V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時提供高達(dá) 700 mA 的電流。它采用熱優(yōu)化 SOIC-8 封裝。

　　LED 驅(qū)動器與 LED 緊密熱耦合并用作溫度參考。如果 LED 的溫度超過預(yù)定的最大溫度，則根據(jù)預(yù)編程的斜率調(diào)光特性降低電流。該公司聲稱，這種連續(xù)的調(diào)整范圍使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個平衡點，以確保光源在壓力條件下持續(xù)運行——盡管光輸出有所降低。

　　如果熱平衡因額外的熱負(fù)載而被破壞，則電流會繼續(xù)逐漸減小，直到達(dá)到目標(biāo) LED 平均電流的至少 25%，并且光源將繼續(xù)提供具有 25% 目標(biāo)光亮度的光輸出輸出。這種保護(hù)允許工程師設(shè)計具有較低安全裕度的被動熱管理，確保在溫度升高到異常水平時主動熱保護(hù)將接管。

　　ILD6070 的溫度基準(zhǔn)根據(jù)斜率調(diào)光特性確定驅(qū)動電壓 （V DRIVE ）（圖 3）。驅(qū)動電壓又決定了與 LED的發(fā)光度成比例的 LED 驅(qū)動電流 （i L ）。通過將 V DRIVE信號與內(nèi)部生成的鋸齒信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)調(diào)光，該鋸齒信號又生成 PWM 脈沖序列。（因為 LED 驅(qū)動器與 LED 的熱耦合并非總是可行的，因此 ILD6070 可用于傳統(tǒng)配置中的 NTC 熱敏電阻，同時仍可利用斜率調(diào)光特性。）［3］

　　圖 3：Infineon Technologies 的 ILD6070 測量 LED 溫度并根據(jù)與溫度相關(guān)的斜率調(diào)光特性設(shè)置驅(qū)動電壓。

　　設(shè)計人員能夠通過在 ILD6070 的 T adj和 GND 引腳之間使用外部電阻器來設(shè)置 LED 結(jié)閾值溫度（即開始限流的點） 。這樣做的好處是允許設(shè)計人員在高結(jié)溫的不利影響與系統(tǒng)成本和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。通過將閾值溫度設(shè)置得相對較低，LED 將持續(xù)更長時間，但系統(tǒng)將需要更大的散熱器以確保熱量快速消散，從而使燈具在正常工作條件下不會反復(fù)進(jìn)入限流范圍。圖 4 顯示了各種電阻值對 ILD6070 的電流輸出占空比（以及由此產(chǎn)生的輸出電流）的影響。

　　圖 4：ILD6070 限流操作的觸發(fā)點可以通過選擇不同的電阻值來改變。

　　過溫安全網(wǎng)

　　被動熱管理將繼續(xù)在 SSL 設(shè)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計人員應(yīng)確保 LED 產(chǎn)生的熱量通過燈具散發(fā)，方法是采用低熱阻 LED 和基板，以及在所有預(yù)期工作條件下有足夠能力將熱量散發(fā)到環(huán)境的散熱器。

　　當(dāng)組件故障或環(huán)境溫度過高等不可預(yù)見的事件發(fā)生時，主動溫度控制就會發(fā)揮作用。這種情況會對 LED 產(chǎn)生熱應(yīng)力并顯著縮短其壽命。在最壞的情況下，熱應(yīng)力會導(dǎo)致災(zāi)難性故障。使用溫度傳感器反饋回路可在 LED 溫度過高時降低驅(qū)動電流，從而消除熱應(yīng)力并防止故障。這樣的“安全網(wǎng)”允許設(shè)計人員指定具有較低安全系數(shù)的較小散熱器——節(jié)省成本和空間——確保主動溫度控制將滿足過熱條件。

　　有源溫度控制隨著最新的 LED 驅(qū)動器解決方案不斷發(fā)展，通過消除外部溫度傳感器并允許設(shè)計人員選擇開始限流的溫度，提供簡化和靈活的設(shè)計解決方案。

　　參考：

1. “了解功率 LED 壽命分析”，Philips Lumileds 技術(shù)白皮書。
2. “ CAT4101 的熱折返，LED 照明，”安森美半導(dǎo)體應(yīng)用筆記，AND9053/D。
3. “ LED 照明應(yīng)用的智能過溫保護(hù)”，Hakan Yilmazer 和 Bernd Pflaum，英飛凌科技白皮書，2013 年 10 月。