高功率LED照明設(shè)計(jì)中的散熱控制方案

/高功率LED照明設(shè)計(jì)中的散熱限制方案2010年12月12日來(lái)源：電子發(fā)燒友[責(zé)任編輯：Aglaia]中心議題：

LED照明中的熱量產(chǎn)生緣由

高功率LED照明設(shè)計(jì)中的散熱設(shè)計(jì)

解決方案：

利用熱敏電阻的LED做散熱限制

熱敏電阻和線性或開關(guān)穩(wěn)壓器一起運(yùn)用時(shí)

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)生的熱量接受傳導(dǎo)方式散發(fā)，因此這些熱量須要一個(gè)更長(zhǎng)、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(gè)最大商業(yè)化障礙就是其散熱問(wèn)題，因此能否徹底有效地解決這問(wèn)題可以說(shuō)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(wèn)題時(shí)的獨(dú)到閱歷。

在快速發(fā)展的LED照明設(shè)計(jì)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(guò)，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(guò)大幅提高每瓦的流明數(shù)正在降低HBLED照明設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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，這清楚地表明，被恒定電流驅(qū)動(dòng)的LED在到達(dá)某一點(diǎn)后，該恒流須要線性地削減，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/散熱支配。

因此電子限制電路必需能夠處理觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置和增益設(shè)置。另外須要記住的很重要一點(diǎn)是，事實(shí)上LED須要能夠應(yīng)付三個(gè)潛在的散熱源：自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子限制。假如LED照明接受的是遠(yuǎn)程電子限制，那么這將不是一個(gè)問(wèn)題，不過(guò)EMC可能是一個(gè)問(wèn)題。

假如我們?cè)偃シ炭茣脑挘覀儠?huì)發(fā)覺限制LED的第一個(gè)和最明顯的方法是通過(guò)一個(gè)電阻。雖然這是一個(gè)低成本的方法，但它不行避開地會(huì)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(yùn)用可變電阻作為調(diào)光元件的方法對(duì)HBLED來(lái)說(shuō)也是不切實(shí)際的，因?yàn)殡娮枭舷牡墓β侍罅?，而且須要專用的繞線電阻。舉例來(lái)說(shuō)，為了驅(qū)動(dòng)一個(gè)1WLED，須要從12V電源產(chǎn)生350毫安電流，在全亮度時(shí)，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(huì)使散熱問(wèn)題變得更加嚴(yán)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(guò)生成對(duì)數(shù)響應(yīng)、以及用于熱限制和亮度定義的負(fù)(NTC)或正(PTC)溫度系數(shù)熱敏電阻，供應(yīng)了更多的靈敏性。然后，只要稍加一點(diǎn)想象力就可以很簡(jiǎn)潔地想到用光反饋方法來(lái)進(jìn)行自動(dòng)亮度限制。

晶體管可接受任何類型：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)的工程師照舊認(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(lái)的奢侈的功率，而且這一熱量須要設(shè)計(jì)師考慮如何散發(fā)出去。

利用熱敏電阻的LED散熱限制的最簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)方法接受了一個(gè)PTC元件。這是一個(gè)熱復(fù)位保險(xiǎn)絲，它可以用來(lái)作為一個(gè)過(guò)流或過(guò)酷愛惜元件，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(zhǎng)的標(biāo)稱低電阻，始終到其觸發(fā)點(diǎn)。因此，它并不起隔離作用。PTC是一個(gè)非線性元件，當(dāng)溫度升到約125℃時(shí)它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效的開關(guān)動(dòng)作。但到達(dá)這一點(diǎn)以前，溫度并不會(huì)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(huì)由于過(guò)溫狀況而要求一個(gè)零光輸出嗎?LED的主要用途是照明而不是自我愛惜。過(guò)熱和降溫可能導(dǎo)致一個(gè)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(huì)隨著溫度產(chǎn)生連續(xù)的但非線性的變更。隨溫度的變更值取決于特定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。

和線性或開關(guān)穩(wěn)壓器一起運(yùn)用時(shí)，熱敏電阻通常用作限制元件。電阻隨溫度的變更值可以通過(guò)一個(gè)公式計(jì)算出來(lái)，但通常以-40℃至

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

就如同在生活中常常發(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)域常常只有最小的靈敏度。在較低溫度下，電阻的變更要比在更高的溫度時(shí)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(guò)并聯(lián)一個(gè)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更圖

溫度傳感器的位置也特殊重要，因?yàn)樗氁惭b在離LED的裸片盡可能近的地方，以避開在LED溫度上升時(shí)的熱梯度和響應(yīng)延遲。

假如我們?cè)倩剡^(guò)去看第一部分的圖1，很明顯，必需更多地考慮溫度較低時(shí)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(shí)降低電流，那么它也有可能在溫度降低時(shí)提高電流。這可能會(huì)導(dǎo)致LED的瞬態(tài)過(guò)熱，并使得結(jié)溫超過(guò)其額定值。LED的自發(fā)熱問(wèn)題可以自我限制的方法解決，但其隱含的熱應(yīng)力問(wèn)題是我們不希望看到的。因此更好的方法是接受一個(gè)鉗位配置，以確保電流不會(huì)隨著溫度下降而接著增加。

圖3顯示了一個(gè)典型的接受簡(jiǎn)潔熱限制的降壓穩(wěn)壓器例子。它的優(yōu)勢(shì)是利用了Zetex半導(dǎo)體公司ZXLD1350的ADJ引腳。通過(guò)運(yùn)用一個(gè)PNP晶體管作為放射極跟隨器和運(yùn)用該引腳的內(nèi)部250kΩ電阻作為負(fù)載來(lái)過(guò)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(huì)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：接受簡(jiǎn)潔熱限制的降壓穩(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(yàn)才能匹配觸發(fā)點(diǎn)(trippoint)和增益系數(shù)。圖4顯示了接受圖3電路的一些測(cè)試結(jié)果。

圖4：接受圖3電路的一些測(cè)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。

熱敏電阻或其它溫度傳感器也可以和PWM熱限制結(jié)合運(yùn)用。圖5顯示了一個(gè)簡(jiǎn)潔的框圖。

圖5：PWM熱限制框圖

亮度的PWM限制是許多高亮度LED制造商的首選方法，這是因?yàn)樗墒沟肔ED在整個(gè)亮度調(diào)整范圍內(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(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)。

PWM調(diào)光通常接受高于眼睛閃爍頻率100Hz的低頻率。盡管設(shè)計(jì)者必需考慮該LED照明應(yīng)用是否是一個(gè)便攜式或固定應(yīng)用，因?yàn)榭赡軙?huì)發(fā)生的頻閃效應(yīng)要求接受更快的PWM頻率。這是針對(duì)移動(dòng)車輛或甚至手電筒照明的考慮。

假如PWM調(diào)光和一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器協(xié)作運(yùn)用，通常該技術(shù)用于快速調(diào)整LED電流。這將使EMI問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。它也可能使EMI問(wèn)題變得更好，假如它有效地抖動(dòng)開關(guān)頻率，從而可削減準(zhǔn)峰值EMI信號(hào)。

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)光照舊能供應(yīng)一個(gè)更好的亮度限制。從模擬的而不是數(shù)字的角度來(lái)看，線性限制更簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)。您可能須要考慮眼睛對(duì)亮度變更的對(duì)數(shù)響應(yīng)。這可能導(dǎo)致要求運(yùn)用對(duì)數(shù)電位器以產(chǎn)生明顯的線性亮度限制。

熱限制是高亮度LED限制的一個(gè)特殊重要方面。熱敏電阻的正確應(yīng)用供應(yīng)了一個(gè)簡(jiǎn)潔和通用的LED溫度限制方法。這可以通過(guò)線性技術(shù)或開關(guān)技術(shù)做到。PWM限制供應(yīng)了最好的總體方法，但必需當(dāng)心考慮全部照明系統(tǒng)的要求，而不只是光的要求LED光源工作原理及亮度穩(wěn)定性2010年12月12日來(lái)源：電子發(fā)燒友[責(zé)任編輯：Aglaia]中心議題：

LED發(fā)光源工作原理及特性

LED照光明度穩(wěn)定性要素

LED照明節(jié)能設(shè)計(jì)

自2010年起，歐、美、日等先進(jìn)國(guó)家相繼起先執(zhí)行禁用白熾燈泡之法令，其法令原由乃基于限制低發(fā)光效率的光源。白熾燈泡被禁用，取而代之的光源包括省電燈泡、冷陰極管、LED等。但將來(lái)如再考慮對(duì)有害物質(zhì)的限制考慮，LED光源將成為最佳選擇。

LED發(fā)光源工作原理及特性

發(fā)光二極管是半導(dǎo)體材料合成的二極管，由PN接口組成，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，電子和電洞結(jié)合以光子形式釋出能量，因此具有發(fā)光特性。而其光源在靠近PN接口毫米以內(nèi)產(chǎn)生，發(fā)光的波長(zhǎng)取決于材料之特性而有不同發(fā)光顏色，常見有紅、黃、綠、藍(lán)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過(guò)工作電壓(電流)的大小來(lái)調(diào)整。在很大的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的亮度隨電流的增大而提高。

LED照光明度穩(wěn)定性

發(fā)光二極管的亮度隨電流的大小而不同，且制造出來(lái)的發(fā)光二極管，其電壓和電流曲線稍有差異，因而LED照明的亮度常隨電源電壓的變動(dòng)而無(wú)法穩(wěn)定。為維持亮度穩(wěn)定一樣，須要發(fā)光二極管恒流驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。恒流驅(qū)動(dòng)器可以使得發(fā)光二極管工作在固定電流模式，因而亮度穩(wěn)定性高。恒流驅(qū)動(dòng)器也讓發(fā)光二極管長(zhǎng)期工作在確定電流下，使其維持較長(zhǎng)壽命。

凱鈺科技的T6316是一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器，它是一個(gè)具有4個(gè)通道的定電流發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，輸出電流可依照外置電阻而定。T6316具有±6%精度電流和通道間±3%匹配精度，可用于路燈、燈管等照明設(shè)備。為節(jié)能考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮恒流驅(qū)動(dòng)器的跨壓在0.5V～2V之間。由于發(fā)光二極管長(zhǎng)時(shí)間工作在恒定電流下，其跨壓稍有下降，此項(xiàng)變動(dòng)亦需考慮在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

LED照明節(jié)能考慮

發(fā)光二極管照明優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、平安，但由于恒定電流工作考慮，能耗亦相對(duì)增加，因此照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)以低能耗為目標(biāo)。前面提到恒流驅(qū)動(dòng)器的壓降在2V以內(nèi)，即是考慮低能耗的設(shè)計(jì)，若系統(tǒng)的電源端電壓和串接發(fā)光二極管壓降超過(guò)2V以上，則需考慮以電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)達(dá)到低能耗目標(biāo)，但仍維持恒定電流工作模式。低能耗的電壓轉(zhuǎn)換器是以開關(guān)式方式工作，依據(jù)反饋電路限制開關(guān)周期，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓。但為了維持發(fā)光二極管恒定電流工作狀態(tài)，反饋電路是以輸出電流來(lái)限制轉(zhuǎn)換器開關(guān)周期。

凱鈺科技T6322是一個(gè)降壓恒流發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，其電流依照外置電阻確定，可支持高達(dá)1.5A輸出電流，供應(yīng)±5%精度電流及高功率效能(低能耗)及高電線路調(diào)整實(shí)力。

圖1對(duì)T6322和其它產(chǎn)品的功率轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了對(duì)比。圖2是T6322和其他產(chǎn)品的線路調(diào)整實(shí)力的對(duì)比(低電流變動(dòng)率即表示高線路調(diào)整實(shí)力)。

圖1

圖2

在目前充斥市場(chǎng)的LED照明產(chǎn)品中，它們的電源輸入系統(tǒng)為兩類：一類前端為AC電源輸入系統(tǒng)加上后端的定電流限制模塊，此類產(chǎn)品包括冷凍柜燈條、室內(nèi)燈具、路燈、臺(tái)燈、MR16、AR111等。另一類為溝通電源干脆輸入系統(tǒng)整合AC/DC轉(zhuǎn)換器和恒定電流線路，此類產(chǎn)品包括E27和GU10等燈泡型LED燈、PAR燈、T5和T8LED燈管等。

第一類電源設(shè)計(jì)除了應(yīng)選擇前端效率較佳的恒定電壓電源供應(yīng)器外，后端恒定電源限制的電源模塊則依其產(chǎn)品特性接受效率較佳的電源設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)在于前端AC/DC的電源供應(yīng)器，如開關(guān)電源、DC適配器等恒定