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[導(dǎo)讀] 引言  當LED所處環(huán)境溫度高于安全工作點溫度時,LED的正向電流就會超出安全區(qū),使LED的壽命大為降低甚至損壞。解決方法是利用溫度補償電路來不斷減小LED的正向電流值,避免LED因溫度過高而損壞。  1 大功率LED溫

引言

  當LED所處環(huán)境溫度高于安全工作點溫度時,LED的正向電流就會超出安全區(qū),使LED的壽命大為降低甚至損壞。解決方法是利用溫度補償電路來不斷減小LED的正向電流值,避免LED因溫度過高而損壞。

  1 大功率LED溫度補償方案

  如何最有效地保護高溫條件下工作的大功率LED,是急需解決的一個技術(shù)問題,這對延長大功率LED的使用壽命至關(guān)重要。解決大功率LED的過熱問題,主要有以下4種設(shè)計方案:

  方案之一:通過合適的散熱器將LED芯片產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)掉,使芯片的結(jié)溫降低。但該方案是在設(shè)計LED燈具時預(yù)先采取的一種解決辦法,并且必須給散熱能力留出足夠余量,在實際工作中很難保證達到既理想、又經(jīng)濟的效果。

  方案之二:利用LED驅(qū)動芯片內(nèi)部的過熱保護電路關(guān)斷LED驅(qū)動器的輸出,迫使LED熄滅,達到降溫目的。該方案只是在極端情況下LED驅(qū)動芯片被迫采取的過熱保護措施,無法保證LED長期穩(wěn)定的工作。

  方案之三:采用恒壓/恒流式(CV/CC)LED驅(qū)動器,其特點是當輸出電流達到規(guī)定值時通過電流控制環(huán)使維持恒定。此方案屬于被動的間接式過熱保護措施,因為恒壓/恒流控制電路是通過檢測輸出電流來啟動電流環(huán)的,與LED所處的環(huán)境溫度并沒有直接關(guān)系,所以不能根據(jù)LED的溫度來實時地調(diào)節(jié)輸出電流的大小。

  方案之四:專門設(shè)計一個LED照明用溫度測控系統(tǒng)。但因成本過高,難以在LED照明領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。

  分析可知,給LED驅(qū)動器增加溫度補償功能是一種簡便易行的解決方案。溫度補償?shù)幕驹硎且坏┏霈F(xiàn)異常情況使LED溫度過高時,LED驅(qū)動器能根據(jù)熱敏電阻器檢測到的溫度,自動降低輸出電流值,確保LED工作在安全區(qū)域之內(nèi),這就從根本上解決了LED過熱損壞或使用壽命降低的難題,從而大大提高了LED燈具的可靠性與安全性;當溫度降低到安全區(qū)域時,LED-~g動器的輸出電流能自動回升到正常值。顯然,這種帶溫度補償功能的LED驅(qū)動器芯片屬于具有自動實時控制的“智能化”芯片,它不僅代表了高端LED驅(qū)動器的發(fā)展方向,而且具有重要的實用價值。

  2 大功率LED的溫度補償基本原理

  最近問世的帶溫度補償LED驅(qū)動器可圓滿解決上述技術(shù)難題。其工作特點是當LED所處境溫度低于安全工作點溫度時,LED驅(qū)動器工作在恒流區(qū);一旦超過安全工作點溫度,就立即進入溫度補償區(qū),此時LED驅(qū)動器不僅能根據(jù)溫升自動調(diào)低輸出電流,還可通過電阻預(yù)先設(shè)定好安全工作點溫度和曲線的斜率。這種帶溫度補償?shù)拇蠊β蔐ED~g動器輸出電流與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。這也是高端LED~g動器的一個顯著特點。美國矽恩(si—EN)微電子有限公司于2009年在世界上率先推出帶溫度補償?shù)腖ED驅(qū)動器SN3352,其同類產(chǎn)品還有交/直流兩用的帶溫度補償可調(diào)光式HB-LED驅(qū)動控制器SN3910(需配外部功率開關(guān)管MOSFET),為實現(xiàn)大功率LED的溫度補償提供了便利條件。

  與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線隨著LED正向電流的減小是否會導(dǎo)致LED的亮度顯著降低,這種疑慮通常是不必要的。根據(jù)韋伯~費赫涅爾定律(Weber—Fechner),人眼的主觀亮度感覺與客觀亮度的變化量(可等效于白紙面上照度的變化量)呈對數(shù)關(guān)系,二者的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖可見,當紙面上的照度從1O001x降低到1001x,即減小到原來的10%時,人眼感覺到亮度只變暗了50%(人眼的主觀亮度感覺從8降至4)。舉例說明,即使LED驅(qū)動電流從350mA減小到175mA,即減小到原來的50%,這會使客觀亮度降低;但經(jīng)過取對數(shù)后人眼覺察到的亮度變化并不那么明顯。

帶溫度補償?shù)拇蠊β?strong>LED驅(qū)動器典型應(yīng)用#e#3 帶溫度補償?shù)?strong>大功率LED驅(qū)動器典型應(yīng)用

 

  SN3352屬于帶溫度補償功能的高端LED驅(qū)動芯片,它兼有恒流驅(qū)動、溫度補償、可調(diào)光、LED開路保護和關(guān)斷模式這5種功能,能顯著提高LED的可靠性,大大延長LED的使用壽命。

  SN3352內(nèi)部集成了溫度補償電路,適配外部的負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器來檢測LED所處的環(huán)境溫度T,NTC熱敏電阻器就放在LED燈具內(nèi)靠近LED的位置上。SN3352通過不斷地測量它的電阻值RNTC,即可實時獲取LED芯片的溫度信息。R值隨T的升高而逐漸減小,當R值與溫度補償起始點設(shè)定電阻R的阻值相等時,SN3352就開始減小輸出的平均值電流,起到溫度補償作用。當T降低到安全值時,平均值電流又自動恢復(fù)成預(yù)先設(shè)定好的恒流值。

  SN3352的典型應(yīng)用電路如圖3所示。輸入電壓U=+6~40VC為輸入端的旁路電容器。假如前級為電源變壓器輸出的12V交流電,再經(jīng)過整流濾波器獲得直流電壓,由于紋波電壓較大,C的容量應(yīng)大于200gF,推薦采用X5R、X7R系列電解電容器,普通電解電容器不適合用作退耦電容,以免影響SN3352的工作穩(wěn)定性。

  C2為RNc端的消噪電容器。

  LED燈串由1oRlW白光LED構(gòu)成。利用R設(shè)定溫度補償起始點。R為NTC熱敏電阻器,它在TA:25℃時的電阻值為100kQ。L為47H電感量,允許范圍是47~220gH。當輸入電壓較高、輸出電流較小時,需要增大電感量,以降低輸出紋波,提高電源效率。電感器的磁飽和電流應(yīng)大于SN3352的峰值輸出電流,電感的平均電應(yīng)大于,o(AvG)值。當o(AvG)=700mA時電感器的磁飽和電流應(yīng)大于1.2A=350mA時,磁飽和電流應(yīng)大于500mA。電感器應(yīng)盡量靠近SN3352,以減小引線電阻。為提高1MHz驅(qū)動器的效率,整流管VD必須采用反向恢復(fù)時間極短、低壓降、反向漏電流很小的肖特基二極管。

  為改善NTC熱敏電阻的非線性,可在R上串聯(lián)一只固定電阻R。若需減小輸出紋波電流,還可在LED燈串的兩端并聯(lián)一只旁路電容器C。當C=1gF時,可將輸出紋波電流大約減小到原來的1/3。LED溫度補償曲線的溫度補償起始點TH由R設(shè)定,曲線斜率則由熱敏指數(shù)B和R、R。的阻值共同決定。一旦R、R和R的阻值確定之后,溫度補償曲線就被確定。推薦RTH的阻值范圍是lkQ~100kQ。

  舉例說明,設(shè)計條件為B=4485,R=0,RNTc=220kQ,RTH=22.1kQ。所對應(yīng)的溫度補償曲線如圖4所示,R采用貼片式熱敏電阻器。選定熱敏指數(shù)B之后,R的阻值越小,補償起始點溫度值越高;當R=ou,-t,斜率只取決于R值;R≠0時,R與R的總電阻值越大,溫度補償曲線越陡,斜率越大。

  4 帶溫度補償?shù)膌ib—LED驅(qū)動控制器典型應(yīng)用

  SN3910屬于交/直流兩用帶溫度補償可調(diào)光HB—LED(高亮度LED)驅(qū)動控制器,適合驅(qū)動HB—LED照明燈。采用交流供電方式的SN3910典型應(yīng)用電路如圖5所示。交流輸入電壓U=220V±15%。FU為lA/250V熔絲管,RNTcl為啟動電源時的限流電阻。C為抑制串模干擾的線問電容器。整流橋由4只1N4007型1A/1000V的硅整流管構(gòu)成。為提高功率因數(shù),利用VD~VD、C,和C構(gòu)成二階填谷式PFC電路。RNT2選用l00kQ(TA=25℃)負溫度系數(shù)熱敏電阻器。R采用1.0Q精密電阻器,兩端并聯(lián)一只可調(diào)電阻器R(100Q)。

  SN3910的溫度補償起始點及輸出電流下降的斜率,可通過R、R來設(shè)定。溫度補償?shù)脑砣缦拢菏紫扔蒃引腳提供1.2V的基準電壓U,然后經(jīng)過電阻分壓器RT1I、R接地。將電阻分壓器的中點接LD引腳,設(shè)其電壓為有關(guān)系式:

  分析(1)式和(2)式可知,當環(huán)境溫度T升高時,R。的電阻值迅速減小。

  一旦U<0.24V,就啟動溫度補償功能,立即通過SN3910的內(nèi)部電路使輸出峰值電流減小,平均值電流也隨之減小,從而達到了溫度補償目的。

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