高功率LED照明設計中的散熱控制方案

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述
高功率LED照明設計中的散熱控制方案與白熾燈鎢絲燈泡不同,高功率LED不輻射熱量。與之相反,led將其PN結的熱量傳導到LED封裝的散熱金屬小塊上。由於LED產生的熱量採用傳導方式散發,因此這些熱量需……
高功率LED照明設計中的散熱控制方案
與白熾燈鎢絲燈泡不同,高功率LED不輻射熱量。與之相反,led將其PN結的熱量傳導到LED封裝的散熱金屬小塊上。由於LED產生的熱量採用傳導方式散發,因此這些熱量需要一個更長、更昂貴的路徑才能完全散發到空氣中去。目前HB LED通用照明的一個最大商業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鍵。本文將為你分享Zetex的LED照明專家在解決散熱問題時的獨到經驗。

  在迅速發展的LED照明設計中,大多數人將注意力集中在高亮度(HB)LED的調光控制策略上。不過,HB LED照明應用的本質要求我們將更多的注意力轉移到散熱控制上。


  雖然LED製造商通過大幅提高每瓦的流明數正在降低HB LED照明設計的技術障礙,但與光輸出相比,仍有更多的電能轉化為要散發出去的熱量。因此需要一個散熱管理的總體戰略,以確保LED散發的熱量可控制為一個溫度的函數。


  圖1中曲線顯示了1W LED的典型性能下降特性。正如所期望的那樣,這清楚地表明,被恆定電流驅動的LED在到達某一點后,該恆流需要線性地減少,直到在150℃這一點上達到0。恆流下降點和減小斜率取決於機械/散熱安排。


  





 


  因此電子控制電路必須能夠處理觸發點設置和增益設置。另外需要記住的很重要一點是, 事實上LED需要能夠應付三個潛在的散熱源:自發熱、環境溫度和LED電子控制。如果LED照明採用的是遠程電子控制,那麼這將不是一個問題,不過EMC可能是一個問題。


  如果我們再去翻教科書的話,我們會發現控制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,但它不可避免地會導致功率損耗,而這否定或削弱了LED的關鍵效率屬性。


  使用可變電阻作為調光元件的方法對HB LED來說也是不切實際的,因為電阻上消耗的功率太大了,而且需要專用的繞線電阻。舉例來說,為了驅動一個1W LED,需要從12V電源產生350毫安電流,在全亮度時,約2.5W將被浪費在調光電阻上。而且如果電阻與LED的位置很接近,該電阻產生的附加熱量將只會使散熱問題變得更加嚴重。


  當然,導通元件也可以是晶體管,這意味著功耗發生在晶體管,而不是可變電阻上。這種方法通過生成對數響應、以及用於熱控制和亮度定義的負(NTC)或正(PTC)溫度係數熱敏電阻,提供了更多的靈活性。然後,只要稍加一點想象力就可以很容易地想到用光反饋方法來進行自動亮度控制。


  晶體管可採用任何類型:MOSFET、NPN雙極型或PNP雙極型。令人驚訝的是,一些更崇拜數字技術的工程師仍然認為,MOSFET是這一應用的更好選擇,因為它們的低導通電阻!但事實上,不管你選擇什麼類型的硅晶體管,其線性功耗是一樣的。它仍是以熱形式表現出來的浪費的功率,而且這一熱量需要設計師考慮如何散發出去。


  利用熱敏電阻的LED散熱控制的最簡單實現方法採用了一個PTC元件。這是一個熱複位保險絲,它可以用來作為一個過流或過熱保護元件,如果它緊靠LED安裝的話。這裡需要考慮到安全因素。


  PTC元件提高了隨溫度增長的標稱低電阻,一直到其觸發點。因此,它並不起隔離作用。PTC是一個非線性元件,當溫度升到約125℃時它會產生一個有效的開關動作。但到達這一點以前,溫度並不會以某種受控方式隨著LED電流降額曲線而減少。


  此外,LED照明策略會由於過溫情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保護。過熱和降溫可能導致一個熱循環,而這將導致LED的低頻閃爍。


  NTC熱敏電阻的電阻值會隨著溫度產生連續的但非線性的變化。隨溫度的變化值取決於特定NTC元件的β值,典型的數字是2700、3590和4400。標稱電阻值通常指的是25℃下的數值,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。


  與線性或開關穩壓器一起使用時,熱敏電阻通常用作控制元件。電阻隨溫度的變化值可以通過一個公式計算出來,但通常以-40℃至150℃溫度範圍內的一個電阻值表表達出來。


  



 


  表1:該表顯示了一個典型的10kΩ標稱熱敏電阻在3個不同β值時的電阻值。


  就如同在生活中常常發生的情況一樣,熱敏電阻的非線性響應在你希望它最敏感的區域常常只有最小的靈敏度。在較低溫度下,電阻的變化要比在更高的溫度時更為顯著。因此可以總結為,β值越大,隨著溫度的升高電阻下降得更快。見圖2所示。通過並聯一個適當的電阻,響應可以變得更線性。


  



 


  圖2:熱敏電阻值隨溫度的典型變化圖


  溫度感測器的位置也非常重要,因為它需要安裝在離LED的裸片儘可能近的地方,以避免在LED溫度升高時的熱梯度和響應延遲。


  如果我們再回過去看第一部分的圖1,很顯然,必須更多地考慮溫度較低時的情況。如果熱敏電阻在控制電路中的作用是,在溫度升高時降低電流,那麼它也有可能在溫度降低時提高電流。這可能會導致LED的瞬態過熱,並使得結溫超過其額定值。LED的自發熱問題可以自我控制的方法解決,但其隱含的熱應力問題是我們不希望看到的。因此更好的方法是採用一個鉗位配置,以確保電流不會隨著溫度下降而繼續增加。


  圖3顯示了一個典型的採用簡單熱控制的降壓穩壓器例子。它的優勢是利用了Zetex半導體公司ZXLD1350的ADJ引腳。通過使用一個PNP晶體管作為發射極跟隨器和使用該引腳的內部250kΩ電阻作為負載來過驅該引腳,LED電流將與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,但由於基準(base)電壓增加超出了ADJ參考電壓,該晶體管就會關閉,LED僅獲得其最高設置電流,從而有效地鉗住低溫響應。


   



 


  圖3:採用簡單熱控制的降壓穩壓器


  匹配某一給定LED的熱降額曲線將取決於許多因素,就如前面所討論的一樣。良好的熱模型將有助於第一次就完成匹配,但也很可能需要一些試驗才能匹配觸發點(trip point)和增益係數。圖4顯示了採用圖3電路的一些測試結果。


  



 


  圖4:採用圖3電路的一些測試結果


  應當指出的是,如果圖3的熱控制電路靠近LED,那麼晶體管將受到LED自發熱的影響。這將增加約-2.2mVC的變暗效果。


  熱敏電阻或其它溫度感測器也可以與PWM熱控制結合使用。圖5顯示了一個簡單的框圖。


  



 


  圖5:PWM熱控制框圖


  亮度的PWM控制是許多高亮度LED製造商的首選方法,這是因為它可使得LED在整個亮度調節範圍內保持其顏色特徵。這一點在RGB混色應用中尤其重要。這是很難實現的,但一般來說調光功能是比較受人歡迎的,而且該技術也開始側重於微控制器介面實現。


  PWM調光通常採用高於眼睛閃爍頻率100Hz的低頻率。儘管設計者必須考慮該LED照明應用是否是一個攜帶型或固定應用,因為可能會發生的頻閃效應要求採用更快的PWM頻率。這是針對移動車輛或甚至手電筒照明的考慮。


  如果PWM調光與一個開關穩壓器配合使用,通常該技術用於快速調節LED電流。這將使EMI問題變得更加嚴重。它也可能使EMI問題變得更好,如果它有效地抖動開關頻率,從而可減少准峰值EMI信號。


  這裡也需要有音頻方面的考慮。PWM頻率越高,開關穩壓器電感在PWM調光頻率處共振的可能性就越高。這在1kHz處將比100Hz更加明顯,部分原因是電感的更差基底響應和耳朵的頻率響應。


  儘管有所有這一切因素,但PWM調光仍然能提供一個更好的亮度控制。從模擬的而不是數字的角度來看,線性控制更容易實現。您可能需要考慮眼睛對亮度變化的對數響應。這可能導致要求使用對數電位器以產生明顯的線性亮度控制。


  結論


  熱控制是高亮度LED控制的一個非常重要方面。熱敏電阻的正確應用提供了一個簡單和通用的LED溫度控制方法。這可以通過線性技術或開關技術做到。PWM控制提供了最好的總體方法,但必須小心考慮所有照明系統的要求,而不只是光的要求。





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