高功率LED照明的散熱控制方案設計

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。由于LED產(chǎn)生的熱量采用傳導方式散發(fā)，因此這些熱量需要一個(gè)更長(cháng)、更昂貴的路徑才能完全散發(fā)到空氣中去。目前HB LED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(yíng)得客戶(hù)的關(guān)鍵。本文將為你分享Zetex的LED照明專(zhuān)家在解決散熱問(wèn)題時(shí)的獨到經(jīng)驗。

在迅速發(fā)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(guò)，HB LED照明應用的本質(zhì)要求我們將更多的注意力轉移到散熱控制上。

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

圖1中曲線(xiàn)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，被恒定電流驅動(dòng)的LED在到達某一點(diǎn)后，該恒流需要線(xiàn)性地減少，直到在150℃這一點(diǎn)上達到0。恒流下降點(diǎn)和減小斜率取決于機械/散熱安排。

因此電子控制電路必須能夠處理觸發(fā)點(diǎn)設置和增益設置。另外需要記住的很重要一點(diǎn)是， 事實(shí)上LED需要能夠應付三個(gè)潛在的散熱源：自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子控制。如果LED照明采用的是遠程電子控制，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。

如果我們再去翻教科書(shū)的話(huà)，我們會(huì )發(fā)現控制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，但它不可避免地會(huì )導致功率損耗，而這否定或削弱了LED的關(guān)鍵效率屬性。

使用可變電阻作為調光元件的方法對HB LED來(lái)說(shuō)也是不切實(shí)際的，因為電阻上消耗的功率太大了，而且需要專(zhuān)用的繞線(xiàn)電阻。舉例來(lái)說(shuō)，為了驅動(dòng)一個(gè)1W LED，需要從12V電源產(chǎn)生350毫安電流，在全亮度時(shí)，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(chǎn)生的附加熱量將只會(huì )使散熱問(wèn)題變得更加嚴重。

當然，導通元件也可以是晶體管，這意味著(zhù)功耗發(fā)生在晶體管，而不是可變電阻上。這種方法通過(guò)生成對數響應、以及用于熱控制和亮度定義的負(NTC)或正(PTC)溫度系數熱敏電阻，提供了更多的靈活性。然后，只要稍加一點(diǎn)想象力就可以很容易地想到用光反饋方法來(lái)進(jìn)行自動(dòng)亮度控制。

晶體管可采用任何類(lèi)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(shù)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(shí)上，不管你選擇什么類(lèi)型的硅晶體管，其線(xiàn)性功耗是一樣的。它仍是以熱形式表現出來(lái)的浪費的功率，而且這一熱量需要設計師考慮如何散發(fā)出去。

利用熱敏電阻的LED散熱控制的最簡(jiǎn)單實(shí)現方法采用了一個(gè)PTC元件。這是一個(gè)熱復位保險絲，它可以用來(lái)作為一個(gè)過(guò)流或過(guò)熱保護元件，如果它緊靠LED安裝的話(huà)。這里需要考慮到安全因素。

PTC元件提高了隨溫度增長(cháng)的標稱(chēng)低電阻，一直到其觸發(fā)點(diǎn)。因此，它并不起隔離作用。PTC是一個(gè)非線(xiàn)性元件，當溫度升到約125℃時(shí)它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)有效的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。但到達這一點(diǎn)以前，溫度并不會(huì )以某種受控方式隨著(zhù)LED電流降額曲線(xiàn)而減少。

此外，LED照明策略會(huì )由于過(guò)溫情況而要求一個(gè)零光輸出嗎?LED的主要用途是照明而不是自我保護。過(guò)熱和降溫可能導致一個(gè)熱循環(huán)，而這將導致LED的低頻閃爍。

NTC熱敏電阻的電阻值會(huì )隨著(zhù)溫度產(chǎn)生連續的但非線(xiàn)性的變化。隨溫度的變化值取決于特定NTC元件的β值，典型的數字是2700、3590和4400。標稱(chēng)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(xiàn)性或開(kāi)關(guān)穩壓器一起使用時(shí)，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(guò)一個(gè)公式計算出來(lái)，但通常以-40℃至150℃溫度范圍內的一個(gè)電阻值表表達出來(lái)。

表1：該表顯示了一個(gè)典型的10kΩ標稱(chēng)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)生的情況一樣，熱敏電阻的非線(xiàn)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(shí)更為顯著(zhù)。因此可以總結為，β值越大，隨著(zhù)溫度的升高電阻下降得更快。見(jiàn)圖2所示。通過(guò)并聯(lián)一個(gè)適當的電阻，響應可以變得更線(xiàn)性。

圖2：熱敏電阻值隨溫度的典型變化圖

溫度傳感器的位置也非常重要，因為它需要安裝在離LED的裸片盡可能近的地方，以避免在LED溫度升高時(shí)的熱梯度和響應延遲。

如果我們再回過(guò)去看第一部分的圖1，很顯然，必須更多地考慮溫度較低時(shí)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(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 )導致LED的瞬態(tài)過(guò)熱，并使得結溫超過(guò)其額定值。LED的自發(fā)熱問(wèn)題可以自我控制的方法解決，但其隱含的熱應力問(wèn)題是我們不希望看到的。因此更好的方法是采用一個(gè)鉗位配置，以確保電流不會(huì )隨著(zhù)溫度下降而繼續增加。

圖3顯示了一個(gè)典型的采用簡(jiǎn)單熱控制的降壓穩壓器例子。它的優(yōu)勢是利用了Zetex半導體公司ZXLD1350的ADJ引腳。通過(guò)使用一個(gè)PNP晶體管作為發(fā)射極跟隨器和使用該引腳的內部250kΩ電阻作為負載來(lái)過(guò)驅該引腳，LED電流將與熱敏電阻成比例地下降。隨著(zhù)溫度下降，熱敏電阻的阻值增加，但由于基準(base)電壓增加超出了ADJ參考電壓，該晶體管就會(huì )關(guān)閉，LED僅獲得其最高設置電流，從而有效地鉗住低溫響應。