高亮度LED照明設(shè)計的散熱考慮

/和白熾燈鎢絲燈泡不同，高功率LED不輻射熱量。和之相反，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)生的熱量采納傳導(dǎo)方式散發(fā)，因此這些熱量須要一個更長、更昂貴的路徑才能完全散發(fā)到空氣中去。目前HBLED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。本文將為你共享Zetex的LED照明專家在解決散熱問題時的獨到閱歷。在快速發(fā)展的LED照明設(shè)計中，大多數(shù)人將留意力集中在高亮度（HB）LED的調(diào)光限制策略上。不過，HBLED照明應(yīng)用的本質(zhì)要求我們將更多的留意力轉(zhuǎn)移到散熱限制上。雖然LED制造商通過大幅提高每瓦的流明數(shù)正在降低HBLED照明設(shè)計的技術(shù)障礙，但和光輸出相比，仍有更多的電能轉(zhuǎn)化為要散發(fā)出去的熱量。因此須要一個散熱管理的總體戰(zhàn)略，以確保LED散發(fā)的熱量可限制為一個溫度的函數(shù)。圖1中曲線顯示了1WLED的典型性能下降特性。正如所期望的那樣，這清晰地表明，被恒定電流驅(qū)動的LED在到達某一點后，該恒流須要線性地削減，直到在150℃這一點上達到0。恒流下降點和減小斜率取決于機械/散熱支配因此電子限制電路必需能夠處理觸發(fā)點設(shè)置和增益設(shè)置。另外須要記住的很重要一點是，事實上LED須要能夠應(yīng)付三個潛在的散熱源：自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子限制。假如LED照明采納的是遠程電子限制，那么這將不是一個問題，不過EMC可能是一個問題。本文其次部分將探討如何對HBLED進行線性限制，敬請留意。在第一部分的探討中,我們介紹了HBLED照明設(shè)計必需兼顧考慮三個主要散熱源(自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子限制)來制訂一個總體的散熱策略，下面我們探討如何對HBLED進行線性限制。假如我們再去翻教科書的話，我們會發(fā)覺限制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，但它不行避開地會導(dǎo)致功率損耗，而這否定或減弱了LED的關(guān)鍵效率屬性。運用可變電阻作為調(diào)光元件的方法對HBLED來說也是不切實際的，因為電阻上消耗的功率太大了，而且須要專用的繞線電阻。舉例來說，為了驅(qū)動一個1WLED，須要從12V電源產(chǎn)生350毫安電流，在全亮度時，約2.5W將被奢侈在調(diào)光電阻上。而且假如電阻和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峻。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)、以及用于熱限制和亮度定義的負（NTC）或正（PTC）溫度系數(shù)熱敏電阻，供應(yīng)了更多的敏捷性。然后，只要稍加一點想象力就可以很簡潔地想到用光反饋方法來進行自動亮度限制。晶體管可采納任何類型：MOSFET、NPN雙極型或PNP雙極型。令人驚異的是，一些更崇拜數(shù)字技術(shù)的工程師仍舊認為，MOSFET是這一應(yīng)用的更好選擇，因為它們的低導(dǎo)通電阻！但事實上，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)出來的奢侈的功率，而且這一熱量須要設(shè)計師考慮如何散發(fā)出去。在接下來的第三部分中，我們將接著探討如何利用熱敏電阻進行LED散熱限制，敬請留意。在其次部分的探討中,我們介紹了探討如何對HBLED進行線性限制，下面我們將接著探討如何利用熱敏電阻進行LED散熱限制。利用熱敏電阻的LED散熱限制的最簡潔實現(xiàn)方法采納了一個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愛護元件，假如它緊靠LED安裝的話。這里須要考慮到平安因素。PTC元件提高了隨溫度增長的標(biāo)稱低電阻，始終到其觸發(fā)點。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。但到達這一點以前，溫度并不會以某種受控方式隨著LED電流降額曲線而削減此外，LED照明策略會由于過溫狀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愛護。過熱和降溫可能導(dǎo)致一個熱循環(huán)，而這將導(dǎo)致LED的低頻閃耀。NTC熱敏電阻的電阻值會隨著溫度產(chǎn)生連續(xù)的但非線性的改變。隨溫度的改變值取決于特定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℃和線性或開關(guān)穩(wěn)壓器一起運用時，熱敏電阻通常用作限制元件。電阻隨溫度的改變值可以通過一個公式計算出來，但通常以-40℃至150

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。點擊查看大圖就猶如在生活中經(jīng)常發(fā)生的狀況一樣，熱敏電阻的非線性響應(yīng)在你希望它最敏感的區(qū)域經(jīng)常只有最小的靈敏度。在較低溫度下，電阻的改變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，隨著溫度的上升電阻下降得更快。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改變圖溫度傳感器的位置也特別重要，因為它須要安裝在離LED的裸片盡可能近的地方，以避開在LED溫度上升時的熱梯度和響應(yīng)延遲。假如我們再回過去看第一部分的圖1，很明顯，必需更多地考慮溫度較低時的狀況。假如熱敏電阻在限制電路中的作用是，在溫度上升時降低電流，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)熱問題可以自我限制的方法解決，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納一個鉗位配置，以確保電流不會隨著溫度下降而接著增加。在接下來的第四部分中，我們將接著探討如何利用一個開關(guān)穩(wěn)壓器對熱敏電阻進行限制，敬請留意。在第三部分的探討中,我們介紹了如何利用熱敏電阻進行LED散熱限制，下面我們將接著探討如何利用一個開關(guān)穩(wěn)壓器對熱敏電阻進行限制。圖3顯示了一個典型的采納簡潔熱限制的降壓穩(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。通過運用一個PNP晶體管作為放射極跟隨器和運用該引腳的內(nèi)部250kΩ電阻作為負載來過驅(qū)該引腳，LED電流將和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：采納簡潔熱限制的降壓穩(wěn)壓器點擊查看大圖匹配某一給定LED的熱降額曲線將取決于很多因素，就如前面所探討的一樣。良好的熱模型將有助于第一次就完成匹配，但也很可能須要一些試驗才能匹配觸發(fā)點(trippoint)和增益系數(shù)。圖4顯示了采納圖3電路的一些測試結(jié)果。

圖4：采納圖3電路的一些測試結(jié)果應(yīng)當(dāng)指出的是，假如圖3的熱限制電路靠近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。在最終的第五部分中，我們將接著探討如何實現(xiàn)PWM熱限制，敬請留意。在第四部分的探討中,我們介紹了如何利用一個開關(guān)穩(wěn)壓器對熱敏電阻進行限制，下面我們將接著探討如何實現(xiàn)PWM熱限制。熱敏電阻或其它溫度傳感器也可以和PWM熱限制結(jié)合運用。圖5顯示了一個簡潔的框圖。

圖5：PWM熱限制框圖亮度的PWM限制是很多高亮度LED制造商的首選方法，這是因為它可使得LED在整個亮度調(diào)整范圍內(nèi)保持其顏色特征。這一點在RGB混色應(yīng)用中尤其重要。這是很難實現(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)也起先側(cè)重于微限制器接口實現(xiàn)。PWM調(diào)光通常采納高于眼睛閃耀頻率100Hz的低頻率。盡管設(shè)計者必需考慮該LED照明應(yīng)用是否是一個便攜式或固定應(yīng)用，因為可能會發(fā)生的頻閃效應(yīng)要求采納更快的PWM頻率。這是針對移動車輛或甚至手電筒照明的考慮。假如PWM調(diào)光和一個開關(guān)穩(wěn)壓器協(xié)作運用，通常該技術(shù)用于快速調(diào)整LED電流。這將使EMI問題變得更加嚴峻。它也可能使EMI問題變得更好，假如它有效地抖動開關(guān)頻率，從而可削減準(zhǔn)峰值EMI信號。這里也須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，部分緣由是電感的更差基底響應(yīng)和耳朵的頻率響應(yīng)。盡管有全部這一切因素，但PWM調(diào)光仍舊能供應(yīng)一個更好的亮度限制。從模擬的而不是數(shù)字的角