LED照明需要精確的功率和熱管理系統

LED技術(shù)已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，而芯片設計和材料的改進(jìn)促進(jìn)了更亮、更耐用光源的開(kāi)發(fā)，光源應用范圍日益擴大。節能意識的不斷增強也加速了LED照明技術(shù)的普及。如今，LED燈憑借以下優(yōu)勢正在迅速取代傳統照明方式：1)能耗低，新型燈泡的功耗范圍從0.83瓦到7.3瓦;2)壽命長(cháng)，LED燈泡可使用5萬(wàn)小時(shí);3)LED燈泡耐熱、抗震，即開(kāi)即用，非常適合需要頻繁開(kāi)關(guān)操作的應用場(chǎng)合;4)有助于滿(mǎn)足安全和綠色倡議;5)LED燈泡摸上去不燙手，不含汞;6)可充分調光，調光時(shí)，LED燈泡不會(huì )變色，而白熾燈在調光時(shí)會(huì )發(fā)黃;7)無(wú)頻率干擾，不會(huì )干擾無(wú)線(xiàn)電和電視信號的鎮流電阻器。

雖然這項技術(shù)正在不斷普及，但LED照明廠(chǎng)家仍在繼續攻克LED光源熱敏感性強的難題。熱量過(guò)多或應用不當都會(huì )使LED光源的性能大打折扣。

導熱性能比較

使用一個(gè)60W白熾燈泡的燈具大約產(chǎn)生900流明照度，必須通過(guò)傳導耗散3瓦熱 量 。使用典型直流LED作為光源達到相同的900流明照度只需要12個(gè)LED。假設VF(正向電壓)為3.2V，電流為350mA，該燈具的輸入功率可按下式計算：

功率 = 12×3.2V×350mA = 13.4W。

在這種情況下，約20%輸入功率轉換為光，80%則轉換為熱。這取決于多種因素，發(fā)熱可能與底層不規則以及聲子發(fā)射、密封和材料等有關(guān)。

在LED產(chǎn)生的總熱量中，有90%通過(guò)傳導傳輸。為耗散來(lái)自L(fǎng)ED結的熱量，傳導是導熱的主要通道，因為對流和輻射僅占全部熱傳輸的約10%。比如，一個(gè)LED可能轉換近10.72瓦熱量(13.4×0.8)。其中，9.648瓦(10.72×0.9)通過(guò)傳導從LED結傳輸或遷移。

顯然，LED光源需要精確的功率和熱管理系統，因為與其他光源相比，提供給LED的電能大部分轉換為熱量。如果沒(méi)有適當的熱管理，這種熱量會(huì )影響LED壽命和色彩輸出。同時(shí)，由于LED驅動(dòng)裝置屬于硅器件，它們很快就會(huì )失效。這說(shuō)明必須要配備故障安全備用過(guò)流保護裝置。

結溫效應

LED的光學(xué)性能因溫度不同而呈現明顯的差別。LED的發(fā)光量隨結溫升高而減少，對某些技術(shù)而言，發(fā)射波長(cháng)也會(huì )隨溫度而變化。如果不對驅動(dòng)電流和結溫加以適當控制，LED效率會(huì )迅速下降，造成亮度減弱、壽命縮短。

與結溫有關(guān)的另一個(gè)LED特性是正向電壓。如果僅使用一個(gè)簡(jiǎn)單的偏壓電阻器控制驅動(dòng)電流，VF將隨溫度升高而下降，驅動(dòng)電流增大。這會(huì )導致熱崩潰，尤其是對大功率LED，并造成元件失效。常見(jiàn)的做法是通過(guò)把LED安裝在金屬芯PCB上加速導熱，從而控制結溫。

電線(xiàn)耦合瞬態(tài)和涌流也會(huì )減少LED壽命，許多LED驅動(dòng)裝置很容易因直流電壓和極性錯誤而受損。LED驅動(dòng)裝置的輸出也會(huì )因短 路而受損或毀壞。多數LED驅動(dòng)裝置含有內置安全功能，包括熱關(guān)機以及LED開(kāi)路和短路檢測。但是，要保護集成電路(IC)和其他敏感電子元件，可能需要額外的過(guò)流保護器件。

LED驅動(dòng)裝置輸入及輸出保護

LED是通過(guò)恒定電流驅動(dòng)的，其正向電壓介于不到2V到4.5V之間，與顏色和電流有關(guān)。老式設計依靠簡(jiǎn)單電阻器限制LED驅動(dòng)電流，但是基于廠(chǎng)家規定的典型正向壓降設計LED電路會(huì )導致LED驅動(dòng)裝置過(guò)熱。

當經(jīng)過(guò)LED的正向壓降下降到大大低于典型規定值的水平時(shí)，可能會(huì )出現這種情況。在這類(lèi)事件中，經(jīng)過(guò)LED驅動(dòng)裝置的電壓升高可能導致來(lái)自驅動(dòng)裝置封裝的總功率耗散更高，因此對性能或壽命產(chǎn)生不利影響。

目前，多數LED應用利用功率轉換和控制器件連接各種功率源，如交流電線(xiàn)、太陽(yáng)能電池板或電池，來(lái)控制LED驅動(dòng)裝置的功率 耗散。對這些接口加以保護，防止它們因過(guò)流和過(guò)溫而受損，常常用到具有可復位能力的聚合物正溫度系數(PPTC)器件?？梢耘c功率輸入串聯(lián)一個(gè)PolySwitch LVR器件，可防止因電氣短路、電路過(guò)載或用戶(hù)誤操作而受損。此外，放在輸入上的金屬氧化物變阻器(MOV)也有助于LED模塊內的過(guò)壓保護。

PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后。許多設備廠(chǎng)家首選保 護電路與帶上游故障安全保護的可復位PolySwitch器件組合。在本例中，R1是與保護電路組合使用的鎮流電阻器。

LED驅動(dòng)裝置容易因直流電壓和極性錯誤而受損。輸出也會(huì )因有害短路而受損或毀壞。帶電端口也容易因過(guò)壓瞬態(tài)受損，包括ESD脈沖。

圖 LED驅動(dòng)裝置輸入和輸出的協(xié)同保護方案。

上圖表示針對LED驅動(dòng)裝置和燈泡陣列的典型電路保護設計。驅動(dòng)裝置輸入上的PolyZen器件既為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡(jiǎn)單性，同時(shí)又避免了對大量散熱(片)的需求。該器件有助于單個(gè)、小型封裝內的瞬態(tài)抑制、反向偏壓保護和過(guò)流保護。

驅動(dòng)輸出上的PolySwitch器件有助于防止因有害短路或其他負載異常而受損。為了充分發(fā)揮PolySwitch器件的作用，可以與金屬芯電路板或LED散熱片熱接。此外，與LED并置的PESD器件也可以對靜電放電(ESD)加以保護。

滿(mǎn)足2類(lèi)功率源安全標準

在照明系統中采用2類(lèi)功率源可能成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。固有型限功率源(一臺變壓器、電源或電池)可以包含保護器件，只要不依靠它們限制2類(lèi)功率源的輸出。非固有型限功率源，按照定義，具有一個(gè)離散保護器件，當電流和能量輸出達到預定值時(shí)它會(huì )自動(dòng)中斷輸出。各種電路保護器件都有助于提供LED照明應用2類(lèi)功率源的安全操作。

總結

可復位PPTC器件可以防止因LED照明應用中過(guò)流和過(guò)溫故障造 成的損害。MOV過(guò)壓保護器件有助于廠(chǎng)家滿(mǎn)足各種安全機構的要求，并提供大電流輸送和能量吸收能力，并快速響應過(guò)壓瞬態(tài)。

與多數ESD保護器件相比，PESD器件電容極低(0.25pF)，并且具有電子行業(yè)最普遍的形狀系數。PolyZen器件既為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡(jiǎn)單性，同時(shí)又避免了對大量散熱(片)的需求。這種單器件方案可以對因電源使用不當導致的受損提供保護，并具有瞬態(tài)抑制、反向偏壓保護能力，也可防止因過(guò)流事件 而受損。

在協(xié)同保護方案中使用這些器件可以讓設計人員減少元件數量，提供安全可靠的產(chǎn)品，滿(mǎn)足監管機構的要求，并減少質(zhì)保和維修成本。

備注：名詞解釋

VF---經(jīng)過(guò)LED的正向壓降。當傳導開(kāi)始時(shí)，VF約為2V(對于紅色LED)和3.5V(對于藍色LED)。

Tj---LED內部溫度，在PN結上。如果該溫度過(guò)高，LED將損壞。

IF---經(jīng)過(guò)LED的正向電流。

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