如何降低大功率LED燈溫升

　　1 降低溫升

　　目前，LED燈的散熱方式主要有自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。

　　1.1 電源與燈體分離

　　由于電源本身產(chǎn)生一定的熱量，使得LED燈上的熱量來(lái)源增加。同時(shí)，電源與燈一體設計使得LED燈整體受熱不均，這些因素都會(huì )導致燈具發(fā)生疲勞和早期失效，而影響其壽命。圖1為L(cháng)ED燈溫度隨工作時(shí)間的變化曲線(xiàn)，圖中T1為放置電源處溫度，T2為遠離電源處溫度，T3為燈體中心溫度。從圖中看出，隨著(zhù)工作時(shí)間的增加，圖1(a)中T1遠大于T2和T3;圖1(b)中T1與T2兩曲線(xiàn)重合，T3略大于T1和T2?？梢?jiàn)分離電源后，整燈的溫度分布很均勻。

　　1.2 選擇優(yōu)質(zhì)LED模組

　　LED模組的選擇在降低溫升上也起著(zhù)較為關(guān)鍵的作用。選擇由導熱系數高且一致的材料封裝的LED燈珠，可提高內部的熱擴散性。采用高導熱、高散熱的金屬基板作燈芯板，使散熱片溫度分布均勻，從而使得散熱作用發(fā)揮到最大。

　　1.3 增大散熱面積

　　鋁基板與散熱片交界面處容易有空隙，而空氣的導熱系數很小，僅約0.03W/m·K，因此可以在接觸面涂上具有較高導熱能力的膠狀導熱硅脂來(lái)增大實(shí)際接觸面積。同時(shí)，增大散熱片的散熱面積，將散熱片的結構變形，以方便散熱。

　　2 溫度控制系統

　　LED燈以額定功率工作產(chǎn)生的熱量超出其散熱能力時(shí)，本文在加強散熱的同時(shí)還采用控溫技術(shù)來(lái)進(jìn)行限制溫升。高溫時(shí)，溫控系統開(kāi)始工作，適當減少驅動(dòng)器的輸出，達到了限制并降低溫升的目的;當溫度降低時(shí)，恢復原工作狀態(tài)。文中選擇以下2種方式來(lái)驅動(dòng)LED燈。

　　2.1 恒流驅動(dòng)

　　此方案通過(guò)控制驅動(dòng)器的輸出電流來(lái)實(shí)現對LED燈的溫度控制。圖2為恒流驅動(dòng)器驅動(dòng)LED燈框圖，驅動(dòng)器輸出到LED模組，LED模組上產(chǎn)生的熱量通過(guò)良好的導熱材料傳導到燈芯板，最后經(jīng)由散熱片散熱到大氣中。當外界散熱環(huán)境惡劣時(shí)，LED模組的溫度會(huì )達到溫度控制系統設定的溫度，得到反饋的信息后，驅動(dòng)器減少輸出，達到限制并降低LED模組溫度的目的。圖3為恒流電源給LED燈供電控制原理圖。電源的指標為：220V AC輸入，電流1.2一1.7A可調，電壓自適應(36～39V)。圖3中左側細虛線(xiàn)框中部分為控制電路，其中W1為可調電阻器;NTC為負溫度系數熱敏電阻;Kt為常開(kāi)溫度繼電器，其閉合溫度為56℃，自動(dòng)斷開(kāi)溫度為45℃;Rx為匹配電阻。圖3右側粗虛線(xiàn)框中部分為LED模塊部分。溫度繼電器和熱敏電阻安裝在LED模塊上，并與模塊緊密接觸，以便將LED的溫度信息反饋給控制電路。常溫下Kt處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)控制電路中只有W1起控制作用，設定常溫工作總電流恒定為1.60A。當繼電器溫度上升到56℃時(shí)，Kt自動(dòng)閉合，整個(gè)控制電路開(kāi)始工作，以減小恒流電源的輸出;當溫度降低到45℃時(shí)，Kt自動(dòng)斷開(kāi)，電源額定輸出。該過(guò)程可用圖4表示，圖中r為Kt的溫度，Rntc為NTC的阻值。

　　控制電路阻值與輸出總電流的關(guān)系列于表1，其中R為控制電路的等效電阻。經(jīng)過(guò)在恒溫箱中測試，每2°C記錄1組數據得到如圖5所示的NTC熱敏電阻的溫度一阻值曲線(xiàn)。

　　該方案中，驅動(dòng)電源通過(guò)接收到反饋的溫度信息來(lái)控制輸出電流，根據圖5中NTC的溫度與阻值的關(guān)系，只要找到輸出電流隨總阻值的變化關(guān)系(如圖6所示)，再進(jìn)行適當的電阻匹配，便可找到溫度與驅動(dòng)器輸出電流的關(guān)系。

　　結合表1，常溫工作時(shí)，總阻值為5.7kll，可將圖3中W1設置為5.7kQ，當LED燈珠溫度r≥56℃時(shí)，因K。閉合，恒流電源輸出減小，此時(shí)要使控制網(wǎng)絡(luò )總電阻為3kll，經(jīng)過(guò)計算，Rx值為3.6 kQ。

　　2.2 恒壓驅動(dòng)

　　此方案通過(guò)控制驅動(dòng)器的輸出電壓來(lái)實(shí)現對LED燈的控制?？傮w框架與恒流驅動(dòng)類(lèi)似，不同的是，該方案采用恒壓驅動(dòng)器，溫度控制系統電路有所不同。

　　圖7為恒壓驅動(dòng)器溫控的連線(xiàn)圖。Trim端用來(lái)調節電源的輸出。左側點(diǎn)線(xiàn)型虛線(xiàn)框中部分為控制電路，其中：PTC為正溫度系數溫敏電阻;R1、R2、Rx均為普通電阻，與PTC溫敏電阻匹配調節驅動(dòng)器輸出電壓;Kt為常閉型溫度繼電器，其斷開(kāi)溫度為60℃，自動(dòng)閉合溫度為48%。右側虛線(xiàn)框中部分為L(cháng)ED模塊部分。Kt和PTC安裝在LED模塊上，并與模塊緊密接觸。常溫下K。處于閉合狀態(tài)，此時(shí)控制電路中控制驅動(dòng)器額定輸出，該LED模組常溫工作額定總電壓為24V。當繼電器溫度上升到60℃時(shí)K.

　　自動(dòng)斷開(kāi)，整個(gè)控制電路工作，從而減少恒壓電源的輸出，當溫度降低到48°C時(shí)，溫度繼電器自動(dòng)閉合，并使電源正常輸出。經(jīng)過(guò)測試，得出驅動(dòng)器V。端與Trim端之間連接的總電阻值尺與驅動(dòng)器輸出電壓U之間的關(guān)系，見(jiàn)表2?？梢钥闯觯弘S著(zhù)電阻的增加，輸出電壓呈減小趨勢。當溫度達到60℃時(shí)，圖7控制電路中溫度繼電器K。斷開(kāi)，此時(shí)，只要電阻匹配得當，我們便可以得到設定的輸出電壓。各阻值計算方法同上，在此不作具體計算。

　　3 試制驅動(dòng)器實(shí)測結果

　　本項研究進(jìn)行了大功率LED路燈和LED投射燈及驅動(dòng)器的研制工作。圖8為L(cháng)ED路燈樣燈及其恒流驅動(dòng)器，燈體采用一體化設計，測得常溫輸入驅動(dòng)器的交流電流為270mA，燈長(cháng)時(shí)間運行狀況良好，其總光通量為3408lm，在控溫作用時(shí)，輸出電流減小為常溫的87%。圖9為L(cháng)ED投射燈樣燈及其恒壓驅動(dòng)器，測得常溫下輸入驅動(dòng)器的交流電流為140mA，總光通量為1011lm，在控溫作用時(shí)，電壓減小為常溫的90%。

　　在LED照明過(guò)程中，恒壓驅動(dòng)器給LED燈提供恒定電壓，而當溫度升高時(shí)，LED燈PN結電壓V，將會(huì )以約-2mV/°C速度下降，從而流經(jīng)LED燈的電流迅速增大，影響其使用壽命;而使用恒流驅動(dòng)器則避免了這一現象。因此一般建議使用恒流驅動(dòng)器驅動(dòng)LED燈。

　　4 結語(yǔ)

　　本文上述的方案，有效降低了大功率LED燈的溫升，一旦溫度升高超過(guò)設定的控制溫度時(shí)，會(huì )使驅動(dòng)器減少輸出，在不影響使用的情況下，適當減少LED燈的光通量和功耗，避免了因過(guò)熱而導致LED燈光衰和使用壽命縮短。該溫度控制方案在研究過(guò)程中顯示出了多方面優(yōu)勢，相信不久的將來(lái)會(huì )得到大規模實(shí)際應用，LED照明也會(huì )因此得到一次更大程度上的提升。