大功率LED溫度補償技術(shù)原理及應用

　　引言

　　大功率LED照明燈一般采用恒流驅動(dòng)器，其輸出電流不隨輸入電壓、負載及環(huán)境溫度的改變而變化。但是當LED所處環(huán)境溫度高于安全工作點(diǎn)溫度時(shí)，LED的正向電流就會(huì )超出安全區，使LED的壽命大為降低甚至損壞。這正是恒流驅動(dòng)器的缺點(diǎn)，因為維持輸出電流不變只會(huì )促使LED的溫度進(jìn)一步升高。解決方法是利用溫度補償電路來(lái)不斷減小LED的正向電流值，避免LED因溫度過(guò)高而損壞。

　　1 大功率LED溫度補償方案

　　如何最有效地保護高溫條件下工作的大功率LED，是急需解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，這對延長(cháng)大功率LED的使用壽命至關(guān)重要。解決大功率LED的過(guò)熱問(wèn)題，主要有以下4種設計方案：

　　方案之一：通過(guò)合適的散熱器將LED芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)掉，使芯片的結溫降低。但該方案是在設計LED燈具時(shí)預先采取的一種解決辦法，并且必須給散熱能力留出足夠余量，在實(shí)際工作中很難保證達到既理想、又經(jīng)濟的效果。

　　方案之二：利用LED驅動(dòng)芯片內部的過(guò)熱保護電路關(guān)斷LED驅動(dòng)器的輸出，迫使LED熄滅，達到降溫目的。該方案只是在極端情況下LED驅動(dòng)芯片被迫采取的過(guò)熱保護措施，無(wú)法保證LED長(cháng)期穩定的工作。

　　方案之三：采用恒壓/恒流式（CV/CC）LED驅動(dòng)器，其特點(diǎn)是當輸出電流達到規定值時(shí)通過(guò)電流控制環(huán)使維持恒定。此方案屬于被動(dòng)的間接式過(guò)熱保護措施，因為恒壓/恒流控制電路是通過(guò)檢測輸出電流來(lái)啟動(dòng)電流環(huán)的，與LED所處的環(huán)境溫度并沒(méi)有直接關(guān)系，所以不能根據LED的溫度來(lái)實(shí)時(shí)地調節輸出電流的大小。

　　方案之四：專(zhuān)門(mén)設計一個(gè)LED照明用溫度測控系統。但因成本過(guò)高，難以在LED照明領(lǐng)域大量推廣應用。

　　分析可知，給LED驅動(dòng)器增加溫度補償功能是一種簡(jiǎn)便易行的解決方案。溫度補償的基本原理是一旦出現異常情況使LED溫度過(guò)高時(shí)，LED驅動(dòng)器能根據熱敏電阻器檢測到的溫度，自動(dòng)降低輸出電流值，確保LED工作在安全區域之內，這就從根本上解決了LED過(guò)熱損壞或使用壽命降低的難題，從而大大提高了LED燈具的可靠性與安全性；當溫度降低到安全區域時(shí)，LED-~g動(dòng)器的輸出電流能自動(dòng)回升到正常值。顯然，這種帶溫度補償功能的LED驅動(dòng)器芯片屬于具有自動(dòng)實(shí)時(shí)控制的“智能化”芯片，它不僅代表了高端LED驅動(dòng)器的發(fā)展方向，而且具有重要的實(shí)用價(jià)值。

　　2 大功率LED的溫度補償基本原理

　　最近問(wèn)世的帶溫度補償LED驅動(dòng)器可圓滿(mǎn)解決上述技術(shù)難題。其工作特點(diǎn)是當LED所處境溫度低于安全工作點(diǎn)溫度時(shí)，LED驅動(dòng)器工作在恒流區；一旦超過(guò)安全工作點(diǎn)溫度，就立即進(jìn)入溫度補償區，此時(shí)LED驅動(dòng)器不僅能根據溫升自動(dòng)調低輸出電流，還可通過(guò)電阻預先設定好安全工作點(diǎn)溫度和曲線(xiàn)的斜率。這種帶溫度補償的大功率LED~g動(dòng)器輸出電流與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。這也是高端LED~g動(dòng)器的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)。美國矽恩（si—EN）微電子有限公司于2009年在世界上率先推出帶溫度補償的LED驅動(dòng)器SN3352，其同類(lèi)產(chǎn)品還有交/直流兩用的帶溫度補償可調光式HB-LED驅動(dòng)控制器SN3910（需配外部功率開(kāi)關(guān)管MOSFET），為實(shí)現大功率LED的溫度補償提供了便利條件。

　　與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)隨著(zhù)LED正向電流的減小是否會(huì )導致LED的亮度顯著(zhù)降低，這種疑慮通常是不必要的。根據韋伯～費赫涅爾定律（Weber—Fechner），人眼的主觀(guān)亮度感覺(jué)與客觀(guān)亮度的變化量（可等效于白紙面上照度的變化量）呈對數關(guān)系，二者的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由圖可見(jiàn)，當紙面上的照度從1O001x降低到1001x，即減小到原來(lái)的10%時(shí)，人眼感覺(jué)到亮度只變暗了50%（人眼的主觀(guān)亮度感覺(jué)從8降至4）。舉例說(shuō)明，即使LED驅動(dòng)電流從350mA減小到175mA，即減小到原來(lái)的50%，這會(huì )使客觀(guān)亮度降低；但經(jīng)過(guò)取對數后人眼覺(jué)察到的亮度變化并不那么明顯。

　　3 帶溫度補償的大功率LED驅動(dòng)器典型應用

　　SN3352屬于帶溫度補償功能的高端LED驅動(dòng)芯片，它兼有恒流驅動(dòng)、溫度補償、可調光、LED開(kāi)路保護和關(guān)斷模式這5種功能，能顯著(zhù)提高LED的可靠性，大大延長(cháng)LED的使用壽命。

　　SN3352內部集成了溫度補償電路，適配外部的負溫度系數（NTC）熱敏電阻器來(lái)檢測LED所處的環(huán)境溫度T，NTC熱敏電阻器就放在LED燈具內靠近LED的位置上。SN3352通過(guò)不斷地測量它的電阻值RNTC，即可實(shí)時(shí)獲取LED芯片的溫度信息。R值隨T的升高而逐漸減小，當R值與溫度補償起始點(diǎn)設定電阻R的阻值相等時(shí)，SN3352就開(kāi)始減小輸出的平均值電流，起到溫度補償作用。當T降低到安全值時(shí)，平均值電流又自動(dòng)恢復成預先設定好的恒流值。

　　SN3352的典型應用電路如圖3所示。輸入電壓U=+6～40VC為輸入端的旁路電容器。假如前級為電源變壓器輸出的12V交流電，再經(jīng)過(guò)整流濾波器獲得直流電壓，由于紋波電壓較大，C的容量應大于200gF，推薦采用X5R、X7R系列電解電容器，普通電解電容器不適合用作退耦電容，以免影響SN3352的工作穩定性。

　　C2為RNc端的消噪電容器。

　　LED燈串由1oRlW白光LED構成。利用R設定溫度補償起始點(diǎn)。R為NTC熱敏電阻器，它在TA：25℃時(shí)的電阻值為100kQ。L為47H電感量，允許范圍是47～220gH。當輸入電壓較高、輸出電流較小時(shí)，需要增大電感量，以降低輸出紋波，提高電源效率。電感器的磁飽和電流應大于SN3352的峰值輸出電流，電感的平均電應大于，o（AvG）值。當o（AvG）=700mA時(shí)電感器的磁飽和電流應大于1.2A=350mA時(shí)，磁飽和電流應大于500mA。電感器應盡量靠近SN3352，以減小引線(xiàn)電阻。為提高1MHz驅動(dòng)器的效率，整流管VD必須采用反向恢復時(shí)間極短、低壓降、反向漏電流很小的肖特基二極管。

　　為改善NTC熱敏電阻的非線(xiàn)性，可在R上串聯(lián)一只固定電阻R。若需減小輸出紋波電流，還可在LED燈串的兩端并聯(lián)一只旁路電容器C。當C=1gF時(shí)，可將輸出紋波電流大約減小到原來(lái)的1/3。LED溫度補償曲線(xiàn)的溫度補償起始點(diǎn)TH由R設定，曲線(xiàn)斜率則由熱敏指數B和R、R。的阻值共同決定。一旦R、R和R的阻值確定之后，溫度補償曲線(xiàn)就被確定。推薦RTH的阻值范圍是lkQ～100kQ。

　　舉例說(shuō)明，設計條件為B=4485，R=0，RNTc=220kQ，RTH=22.1kQ。所對應的溫度補償曲線(xiàn)如圖4所示，R采用貼片式熱敏電阻器。選定熱敏指數B之后，R的阻值越小，補償起始點(diǎn)溫度值越高；當R=ou,-t，斜率只取決于R值；R≠0時(shí)，R與R的總電阻值越大，溫度補償曲線(xiàn)越陡，斜率越大。

　　4 帶溫度補償的lib—LED驅動(dòng)控制器典型應用

　　SN3910屬于交/直流兩用帶溫度補償可調光HB—LED（高亮度LED）驅動(dòng)控制器，適合驅動(dòng)HB—LED照明燈。采用交流供電方式的SN3910典型應用電路如圖5所示。交流輸入電壓U=220V±15%。FU為lA/250V熔絲管，RNTcl為啟動(dòng)電源時(shí)的限流電阻。C為抑制串模干擾的線(xiàn)問(wèn)電容器。整流橋由4只1N4007型1A/1000V的硅整流管構成。為提高功率因數，利用VD～VD、C，和C構成二階填谷式PFC電路。RNT2選用l00kQ（TA=25℃）負溫度系數熱敏電阻器。R采用1.0Q精密電阻器，兩端并聯(lián)一只可調電阻器R（100Q）。

　　SN3910的溫度補償起始點(diǎn)及輸出電流下降的斜率，可通過(guò)R、R來(lái)設定。溫度補償的原理如下：首先由E引腳提供1.2V的基準電壓U，然后經(jīng)過(guò)電阻分壓器RT1I、R接地。將電阻分壓器的中點(diǎn)接LD引腳，設其電壓為有關(guān)系式：

　　分析（1）式和（2）式可知，當環(huán)境溫度T升高時(shí)，R。的電阻值迅速減小。

　　一旦U0.24V，就啟動(dòng)溫度補償功能，立即通過(guò)SN3910的內部電路使輸出峰值電流減小，平均值電流也隨之減小，從而達到了溫度補償目的。