隨著高功率LED技術(shù)的成熟,工程師們收集的數(shù)據(jù)定量地證實了過熱會如何縮短固態(tài)照明(SSL)的使用壽命。例如,在120°C的結(jié)溫下工作時持續(xù)60,000小時的LED在150°C下工作時會發(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。在正常操作期間,這些方法工作良好,但是當(dāng)SSL暴露于異常溫暖的溫度時,可能難以消散所有熱量。
最近,LED電源(LED驅(qū)動器)制造商已經(jīng)為其設(shè)備增加了限流功能,使工程師能夠確定LED結(jié)溫并在溫度過高時關(guān)閉燈芯。過溫保護可延長LED壽命并最大限度地減少災(zāi)難性故障。主動保護方法還鼓勵使用更小的散熱器 - 節(jié)省成本和空間 - 并且對特定產(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)的工作原理。
Killer kelvin
熱量是電致發(fā)光過程的副產(chǎn)品,可使LED點亮。半導(dǎo)體中空穴和電子的重組導(dǎo)致一些光子離開LED并有助于整體照明,但是其他光子在模具中被重新吸收,從而產(chǎn)生熱量。在器件工作時發(fā)生的LED晶格的微小振動也會升高溫度。盡管LED與傳統(tǒng)光源相比具有很高的功效,但應(yīng)用于該設(shè)備的約70%至80%的電能仍然轉(zhuǎn)換為熱而不是光。
因為LED結(jié)很小,所以能量很小密度高,溫度迅速上升。現(xiàn)代芯片的結(jié)溫(TJ)升至140°C及以上并不罕見。在高溫下長時間操作是不希望的,因為它會引起色度漂移并縮短壽命。 (參見TechZone文章“對白光LED色度的熱效應(yīng)”和“了解高亮度LED中的褪色原因。”)
Cree,Lumileds,OSRAM和Seoul Semiconductor等LED制造商提供從多年的可靠性試驗數(shù)據(jù)中收集到的有關(guān)溫度對壽命影響的有用信息。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。左側(cè)軸表示相對亮度。當(dāng)新產(chǎn)品(L70)的亮度低于輸出的70%時,LED制造商認(rèn)為LED會“失敗”。 LUXEON C是一個118流明,120流明/瓦(350毫安,2.75伏)LED,從圖表中可以看出,相差20°C可以將LED的壽命縮短約60,000小時(從LJ為80,000小時,TJ = 115°C至20,000小時,TJ = 135°C)。 1
圖1:結(jié)溫對LUXEON C LED發(fā)光度的影響。 (LED壽命是在光度下降到新時的70%時測量的。)
考慮到使用LED設(shè)計時熱管理的重要性,關(guān)于該主題的設(shè)計信息很多就不足為奇了。可供設(shè)計界使用。 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”,“LED燈具的散熱考慮”和“LED熱管理的基礎(chǔ)知識”。
無源熱管理技術(shù)在將LED照明融入主流照明領(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,并輔以散熱器,以消除器件結(jié)的熱量。然而,雖然這種技術(shù)令人滿意地工作,但它確實具有許多缺點,包括增加照明裝置的尺寸和增加成本。散熱器可占SSL夾具成本的三分之一。此外,作為被動方法,機械熱管理無法補償環(huán)境溫度的大幅度波動,例如室外SSL可能會受到影響。
主動熱管理
最近,設(shè)計人員一直致力于通過主動技術(shù)來補充被動熱管理,以應(yīng)對LED壽命顯著縮短或設(shè)備甚至可能發(fā)生災(zāi)難性故障的“極端”情況。保護LED的最簡單方法是選擇具有過溫保護功能的LED驅(qū)動器。
許多現(xiàn)代LED驅(qū)動器都具有過溫保護功能。例如,ADI公司最近推出的ADP8140擁有這樣的功能。 ADP8140是一款線性穩(wěn)壓器,采用3至30 V輸入電壓工作,可提供高達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)閉功率級。當(dāng)溫度降至130°C以下時,ADP8140將重新啟動電源。如果故障或高功耗仍然存在,則重復(fù)序列。 (請注意,ADP8140還可以與外部熱傳感器一起使用,以增強熱保護。)
過熱保護的缺點是缺乏精確度,它依賴于測量LED驅(qū)動器的溫度而不是LED結(jié)本身的溫度。即使設(shè)備非常靠近,LED驅(qū)動器也可能比LED溫度高幾度,這可能會在嚴(yán)格要求時觸發(fā)關(guān)機。更糟糕的是,相反的情況可能是正確的,導(dǎo)致LED驅(qū)動器切斷之前LED損壞。第二個缺點是許多LED驅(qū)動器的過溫保護包括在達到閾值溫度時完全切斷功率。這幾乎不方便,特別是如果燈光照亮了公共空間。因此,工程師傾向于將關(guān)閉功能設(shè)置為在非常高的溫度下發(fā)生。在防止災(zāi)難性故障的同時,這對延長LED壽命沒有任何作用。
此外,許多LED驅(qū)動器在系統(tǒng)冷卻后自動重啟。如果過熱是由于故障或極端情況(例如異常高的環(huán)境溫度)導(dǎo)致的,則系統(tǒng)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)。
一種比簡單更微妙的技術(shù)當(dāng)達到設(shè)定溫度時關(guān)閉LED驅(qū)動器是采用反饋回路,該反饋回路包括非常靠近LED結(jié)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),可以逐漸減少驅(qū)動LED的電流,從而降低功耗以限制雖然減小電流會降低亮度,但設(shè)計人員可以設(shè)置最小電流,以便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)備的光度變化方面很差,因此在控制溫度和顯著降低亮度之間的平衡方面存在合理的靈活性。在任何情況下,調(diào)光而不是關(guān)閉都會更加方便。
LED驅(qū)動器制造商通過在其芯片上添加專用引腳以接受電阻器的輸入,將NTC電阻器加入到夾具電子設(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。隨著溫度的升高(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的輸出電流的相應(yīng)降低。 LED驅(qū)動器制造商使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)或模擬調(diào)光來降低輸出電流。 (參見TechZone文章“熱折返如何提高LED照明燈具的可靠性。”)
LED驅(qū)動器通常將與熱傳感器相連的電流減少電路并入其產(chǎn)品中。例如,安森美半導(dǎo)體的CAT4101是具有熱折返功能的1A恒流線性LED驅(qū)動器。 LED驅(qū)動器采用3至5.5 V輸入工作,提供高達1 A的25 V輸出。一旦LED結(jié)溫超過150°C,通過改變PWM占空比可以降低電流。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:安森美半導(dǎo)體CAT4101 LED驅(qū)動器的熱折返特性。
德州儀器(TI)等公司還提供一系列具有熱折返功能的LED驅(qū)動器。例如,LM3424是一個降壓/升壓(“降壓/升壓”)LED驅(qū)動器。該器件能夠在4.5 V至75 V輸入電壓下工作,同時提供高達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)和電流降低的梯度進行編程斜率。
改善LED熱保護
雖然基于溫度傳感器的熱管理技術(shù)運行良好,但存在一些缺點。首先,添加NTC熱敏電阻會增加復(fù)雜性;精度,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(因此昂貴)器件,否則溫度/電阻斜率不是線性的,使得精確控制電流更加困難。第三,單獨的電流降低有時不足以將結(jié)溫限制在安全區(qū)域,迫使工程師采用傳統(tǒng)的過溫保護來支持保護。
由于NTC熱敏電阻熱折返的缺點一些LED驅(qū)動器制造商已經(jīng)采取了進一步的熱保護措施。英飛凌科技已經(jīng)實施了一項正在申請專利的技術(shù),其中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中實施該技術(shù)。 ILD6070是一款降壓電壓轉(zhuǎn)換器,能夠在4.5至60 V輸入電壓下工作,同時提供高達700 mA的電流。它采用熱優(yōu)化的SOIC-8封裝。
LED驅(qū)動器與LED緊密熱耦合,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)光特性減小電流。該公司聲稱,這種連續(xù)的調(diào)整范圍允許系統(tǒng)達到平衡點,確保光源在壓力條件下繼續(xù)運行 - 盡管光輸出減少。
如果熱平衡受到額外的影響熱負(fù)荷逐漸減少電流,直到達到目標(biāo)LED平均電流的最小值的25%,并且光源將繼續(xù)提供光輸出,其亮度為目標(biāo)光輸出的25%。這種保護允許工程師設(shè)計具有較低安全裕度的無源熱管理,因為如果溫度上升到非常高的水平,主動熱保護將接管。
ILD6070的溫度參考值根據(jù)斜率調(diào)光特性確定驅(qū)動電壓(VDRIVE)(圖3)。驅(qū)動電壓又決定LED驅(qū)動電流(iL),其與LED的發(fā)光度成比例。通過將VDRIVE信號與內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波信號進行比較來實現(xiàn)調(diào)光,鋸齒波信號又產(chǎn)生PWM脈沖序列。 (由于LED驅(qū)動器與LED的熱耦合并不總是可能的,因此ILD6070可以采用NTC熱敏電阻的傳統(tǒng)配置,同時仍然利用斜率調(diào)光特性。) [3]
圖3:英飛凌科技的ILD6070測量LED溫度并根據(jù)溫度設(shè)置驅(qū)動電壓斜率調(diào)光特性。
設(shè)計人員可以通過在ILD6070的Tadj和GND引腳上使用外部電阻來設(shè)置LED結(jié)溫閾值(電流限制開始時的點)。這具有允許設(shè)計者將高結(jié)溫的有害影響與系統(tǒng)成本和尺寸進行權(quán)衡的優(yōu)點。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,使得燈具在正常操作條件下不會重復(fù)進入限流范圍。圖4顯示了各種電阻值對ILD6070電流輸出占空比(以及其輸出電流)的影響。
圖4:觸發(fā)點可以通過選擇不同的電阻值來改變ILD6070的限流操作。
超溫安全網(wǎng)
無源熱管理將繼續(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)生的熱量通過使用低熱阻LED和基板以及具有足夠容量的散熱器散發(fā)出來,以便在所有預(yù)期的工作條件下將熱量散發(fā)到環(huán)境中。
當(dāng)發(fā)生組件故障或極高環(huán)境溫度等無法預(yù)料的事件時,主動溫度控制開始發(fā)揮作用。這些條件會對LED產(chǎn)生熱應(yīng)力并大大縮短其壽命。在最壞的情況下,熱應(yīng)力可能導(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。這種“安全網(wǎng)”允許設(shè)計人員指定較小的散熱器,安全系數(shù)較低 - 節(jié)省成本和空間 - 確保主動溫度控制可以滿足過溫條件。
主動溫度控制繼續(xù)發(fā)展,最新的LED驅(qū)動器解決方案通過消除外部溫度傳感器提供簡化和靈活的設(shè)計解決方案,并允許設(shè)計人員選擇電流限制開始的溫度。
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