LED熱控制技術(shù)中散熱器的選擇

 當(dāng)高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災(zāi)難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應(yīng)用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級(jí)別的保護(hù)。

　　熱折返是減少LED故障及避免因?yàn)檫^熱而導(dǎo)致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個(gè)與溫度成反比的信號(hào)，在設(shè)置溫度斷點(diǎn)后降低LED的電流。

      以下介紹兩個(gè)例子：一個(gè)100W路燈應(yīng)用和一個(gè)12W的軍用手電筒應(yīng)用。這兩個(gè)實(shí)例介紹了較為復(fù)雜的系統(tǒng)與較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設(shè)計(jì)流程。

　　背景

　　在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應(yīng)用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)來傳導(dǎo)熱量。此傳導(dǎo)功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。

　　PD=VF×IF

　　為了保持一個(gè)安全的LED結(jié)點(diǎn)溫度，必須消除這個(gè)傳導(dǎo)功率。需要對(duì)系統(tǒng)中的熱阻抗進(jìn)行分析，才能在額定功率下定制一個(gè)散熱器以確保期望的熱特性 。

　　一個(gè)典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點(diǎn)、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的模型，計(jì)算就相當(dāng)簡(jiǎn)單。LED結(jié)點(diǎn)的功率耗散（PD），必須通過結(jié)點(diǎn)-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點(diǎn)與電流通過電氣電阻時(shí)極其相像。

　　由此產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個(gè)電氣電壓（歐姆定律的熱當(dāng)量）：

　　TJ-TA=PD×θJA

　　θJA 指下列各值的總和。

　　θJS：結(jié)點(diǎn)至錫焊點(diǎn)熱阻；

　　θSH：錫焊點(diǎn)至散熱器熱阻；

　　θHA：錫焊點(diǎn)至環(huán)境熱阻。

　　θJS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質(zhì)和結(jié)點(diǎn)熱阻。最后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為L(zhǎng)ED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個(gè)簡(jiǎn)單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點(diǎn)到散熱器的連接良好（包括：多重?zé)釋?dǎo)通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導(dǎo)熱膠），θSH則基本上可以忽略不計(jì)。這將產(chǎn)生一個(gè)小于2℃/W的極低θSH值。

　　θHA保持不變，因?yàn)樗嗟厝Q于散熱器表面積及其導(dǎo)熱性能。在標(biāo)準(zhǔn)的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會(huì)非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設(shè)計(jì)需要根據(jù)下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：

　　通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當(dāng)于需要一個(gè)更大的散熱器。

　　實(shí)際應(yīng)用中 ，在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會(huì)增加5%~10%前向?？赡艿臏囟壬仙秶韪鶕?jù)最差情況下預(yù)計(jì)的TA值計(jì)算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會(huì)降低最大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會(huì)降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要比標(biāo)定時(shí)提高25%~50%。

　　LED驅(qū)動(dòng)器

　　這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動(dòng)器主控機(jī)制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動(dòng)器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供一個(gè)近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)不斷變化的動(dòng)態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動(dòng)器中，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樗c輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。

　　盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環(huán)境）的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時(shí)，LED的前向電壓降低。因?yàn)殡娏鞅徊粩嗾{(diào)整，因此功率降低，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時(shí)，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導(dǎo)致熱逸散和災(zāi)難性的LED故障。

每個(gè)LED制造商都提供了對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度變化的最大前向電流的特性曲線。如圖2所示的Cree XRE系列曲線，該曲線標(biāo)明了推薦的LED過溫安全工作范圍（SOA）。這個(gè)快速的參考設(shè)計(jì)資料提供了多重θJA圖形。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)表規(guī)定了θJS，而在運(yùn)行良好的系統(tǒng)中可以忽略θSH，因此θHA是一個(gè)可控變量。對(duì)于給定的θHA，維持LED驅(qū)動(dòng)電流在限定范圍內(nèi)，可防止LED在非安全狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)的熱逸散和/或大幅的壽命衰減。

熱折返可在許多方面應(yīng)用。最常見和最簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻測(cè)量LED附近的溫度，如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個(gè)隨溫度降低而增大，隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設(shè)定值偏離基準(zhǔn)電壓，并且底部電阻器是一個(gè)熱敏電阻，那么分電壓將隨溫度增加而降低。假如將該電壓鉗制在低于基準(zhǔn)電壓的最大電壓上，那么對(duì)于一些上升至最大溫度斷點(diǎn)（TBK）的溫度范圍來說，該電壓就被固定為鉗位電壓。然而，對(duì)于高于TBK的溫度而言，電壓將下降，如圖3所示。這個(gè)電壓可以用來控制LED驅(qū)動(dòng)器的模擬調(diào)光輸入以實(shí)施基本熱折返。

　　LED調(diào)光時(shí)，折返圖形會(huì)有不同。由于標(biāo)稱LED電流水平（ILED-NOM）被降低為調(diào)光電流水平（ILED-DIM），可對(duì)折返圖加以修正以與新的溫度斷點(diǎn)（TBK-DIM）相適應(yīng)。這擴(kuò)大了LED使用的溫度范圍，如圖3所示?？筛鶕?jù)不同器件，分步或連續(xù)完成。

　　另外一個(gè)變體是額外的最小LED電流（ILED-MIN）鉗制，用來防止LED電流為零，同見圖3。有許多應(yīng)用中，終端用戶出于安全原因，不想要成套的熱折返。而使用這個(gè)特性，最小需求電流鉗制可以允許系統(tǒng)不受安全運(yùn)行范圍約束。然而，就這一點(diǎn)而言，用戶情愿以縮短使用壽命為代價(jià)來?yè)Q取短期功能。

　　路燈舉例

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的路燈暴露于苛刻的環(huán)境條件中，且在整個(gè)使用壽命期間，由于各種原因，機(jī)械散熱器的性能可能會(huì)降低。這種性能的降低極大地增加了總熱阻θJA，而且最終將導(dǎo)致更高的LED結(jié)點(diǎn)溫度從而縮減使用壽命。為滿足市政設(shè)施關(guān)于使用壽命的要求，在路燈中熱折返幾乎總是必要的。

　　圖5所示為一個(gè)100W的路燈應(yīng)用。前端交流-直流轉(zhuǎn)換器獲得一個(gè)120V交流電輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為35V直流輸入。第二階段是一個(gè)LM3409恒流降壓型LED驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載為6串并聯(lián)，其中每串串聯(lián)8只LED;每串驅(qū)動(dòng)電流為700mA。

　　LM3409用簡(jiǎn)單的磁滯控制方法調(diào)節(jié)電流。在主開關(guān)（Q1）接通期間，電感器電流斜升至由IADJ引腳設(shè)置的峰值電流閾值。一旦達(dá)到該閾值，Q1關(guān)斷并且電感器電流斜降，直到程控關(guān)斷計(jì)時(shí)器停止。關(guān)斷計(jì)時(shí)器的程控是通過來自輸出電壓的RC實(shí)施的。這使得計(jì)時(shí)器與輸出電壓成正比，結(jié)果導(dǎo)致電感器電流紋波和隨后的原本恒定的LED電流紋波超越運(yùn)行范圍。

在IADJ上降低電壓（從1.24V降至0V），平均LED電流的持續(xù)模擬調(diào)光能夠很容易實(shí)施。假如IADJ的電壓達(dá)到或高于1.24V，那么應(yīng)調(diào)整LED的最大標(biāo)稱電流。當(dāng)IADJ引腳電壓降至1.24V時(shí)，電流開始調(diào)光，對(duì)執(zhí)行熱折返提供了一個(gè)極好的方法。

　　該應(yīng)用中的熱折返電路比以前描述的更加基本化，僅利用一個(gè)IADJ附加的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的阻值將高于250kΩ（IADJ大于1.24V），直到溫度達(dá)到要求的斷點(diǎn)。然后作為NTC的一個(gè)功能，電阻降低，同時(shí)分別降低了IADJ的電壓和LED電流。

　　應(yīng)該注意的是NTC從電阻到溫度的轉(zhuǎn)換功能是非線性的。這種非線性延長(zhǎng)了出現(xiàn)真正零電流的邊界點(diǎn)溫度（TEND）。在路燈應(yīng)用中，熱折返的線性不屬于最高等級(jí)。事實(shí)上路燈的壽命結(jié)束時(shí)間通常規(guī)定為其亮度降至初始亮度的70%時(shí)；因此，精確的熱折返圖對(duì)于路燈設(shè)計(jì)人員來講根本沒有意義。也就是說，如果需要的話，一個(gè)精密的溫度傳感器就能很容易地用于更為線性的熱折返圖繪制。

　　手電筒舉例

　　圖6所示為一個(gè)使用LM3424的較復(fù)雜的熱折返器件。這個(gè)應(yīng)用是一個(gè)由LM3424組成的15W調(diào)光軍用手電筒，該LM3424控制6個(gè)串聯(lián)LED，驅(qū)動(dòng)電流為700mA，電池電壓為9V。因?yàn)樵谡{(diào)光時(shí)，串電壓發(fā)生變化，從24V到低于9V，所以多重拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LM3424用作一個(gè)降壓-升壓控制器。需進(jìn)行LED模擬調(diào)光以對(duì)其簡(jiǎn)潔性、大小和成本進(jìn)行評(píng)估。

　　LM3424用傳統(tǒng)的誤差信號(hào)放大器調(diào)節(jié)閉合環(huán)路中的輸出電流。在LED組件頂端對(duì)LED平均電流區(qū)別檢測(cè)。主開關(guān)（Q1）的占空比動(dòng)態(tài)上得以改變，以確?？呻S時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

　　LM3424具有一個(gè)集成在芯片上的完全可編程熱折返電路。折返斷點(diǎn)由電阻分壓器按照TREF進(jìn)行設(shè)置，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓3V（VS）。溫度傳感是使用傳感器或NTC分壓器在TSENSE的情況下實(shí)施的。當(dāng)TSENSE電壓降低至預(yù)定TREF電壓時(shí)，電路開始根據(jù)圖7所示對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。熱折返的斜率可由安裝在TGAIN到GND之間的電阻（RGAIN）設(shè)定。假如使用一個(gè)精密的溫度傳感器，例如LM94022，可以獲得一個(gè)高級(jí)的線性圖。

　　可以加裝基準(zhǔn)電壓VS外置齊納管鉗制裝置以設(shè)定最小所需電流，如圖3所示。在將給定溫度值的特定LED的亮度輸出最大化的同時(shí)，這個(gè)高度可控?zé)嵴鄯狄彩故蛛娡彩褂脡勖畲蠡?/font>