試論高亮度LED的熱應力保護

輸入LED的電力只有不到20％轉化為光能，其余的80％則變?yōu)闊崃?。這實(shí)在是照明系統設計人員需要克服的問(wèn)題。假如照明系統實(shí)施欠佳，即使最完善的散熱設計也無(wú)法發(fā)揮真正效用。保持安全的LED操作環(huán)境、減少熱對LED壽命造成影響，便落在用于LED驅動(dòng)IC之上。

審定規格

只要看看高亮度LED制造商提供的組件產(chǎn)品規格，便不難確定需要留意的主要設計參數，并且可以得知在高溫下操作這些組件的負面影響。LED的實(shí)際壽命與功率消耗和LED的溫度成反比。制造商可顯示在Tj 80℃溫度下運行約一億小時(shí)的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF）。在實(shí)用的系統中，LED的故障不一定會(huì )造成大問(wèn)題，但在散熱不足而Tj又升至120℃或以上的系統中，LED的壽命將大幅縮短。在極端的情況下，LED更會(huì )實(shí)時(shí)出現故障。散熱設計可導入超補償功能，以抗衡最?lèi)毫拥膶?shí)施環(huán)境。但在某些情況下，這是不可能的事情。以筒燈為例，一般安裝在絕緣的天花板夾層空間。這層空間不僅妨礙散熱，還沒(méi)有足夠位置安裝額外的散熱設施。

相對亮度也與結點(diǎn)溫度成反比。隨著(zhù)數據數據的變異，制造商估計在最大結點(diǎn)溫度下的光輸出會(huì )減弱30％。同樣，流明維護效果與結點(diǎn)溫度也成反比。在70℃結點(diǎn)溫度下，一個(gè)LED操作超過(guò)五萬(wàn)小時(shí)后，一般會(huì )損耗30％的光度輸出；溫度更高時(shí)損耗會(huì )更大。
實(shí)際上，無(wú)論原因何在，光輸出隨時(shí)間減弱不一定會(huì )構成大問(wèn)題。 用戶(hù)甚至未必察覺(jué)到減弱現象，因為L(cháng)ED的性能表現根本就可以媲美其它照明設備。

結點(diǎn)溫度的控制

綜合上述因素，考慮周詳的設計人員最重要的目標，就是LED的散熱，把結點(diǎn)溫度保持在最大額定值以下，避免過(guò)早出現故障。用來(lái)產(chǎn)生所需LED電流的電子組件，可以導入偵測溫度過(guò)高的方法，有效減低LED的驅動(dòng)電流，保持穩定的操作溫度。雖然光線(xiàn)輸出會(huì )略為減弱，但LED的「生命力」卻十分旺盛，可以長(cháng)期運作。

當中的降壓轉換器配備溫度控制功能。該電路設計專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅動(dòng)LED，驅動(dòng)電流高至1安培，供應電壓介乎4至6伏特。
　

降壓轉換器操作

在Q1開(kāi)關(guān)起動(dòng)后，電流便會(huì )流過(guò)LED和L1，并且提升至一個(gè)特定水平，使通過(guò)Rsense 的電壓達到U1的臨限。ZXSC300控制器接著(zhù)會(huì )把驅動(dòng)移除至Q1， 然后斷路。儲存在L1內的能量會(huì )產(chǎn)生放電，流過(guò)D1和LED。ZXSC300的固定斷路周期為1.7?s，然后Q1會(huì )再起動(dòng)，整個(gè)周期又會(huì )再重復。這個(gè)應用的交換頻率約為150kHz。

加入熱能控制

電路利用一個(gè)150k? NTC熱控管進(jìn)行溫度偵測，該組件所設位置與LED保持高壓熱能接觸。流過(guò)熱控管的電流會(huì )倍增，再與峰值交換電流相加，加以調節LED電流。

隨著(zhù)溫度增加，熱控管的電阻會(huì )減少，讓更大電流流過(guò)，以提高Isense 電壓，使控制器在更低的LED電流下關(guān)掉。熱控管的Rgain 和Rsense 值經(jīng)過(guò)設定，使LED的操作溫度保持在安全操作的界限。如控制圖像所顯示，供應電壓的變異只會(huì )對溫度控制帶來(lái)很小的影響。
　
這個(gè)電路利用一個(gè)Yuden 150k?熱控管作為溫度感應器。目標控制溫度為 75℃，輸出電流為833mA。Rgain為10?，Rsense為20m?，Vsense為20mV。(表一)顯示了熱控管的溫度特性，以及6V電源對峰值電流的影響。有關(guān)結果在(圖二)顯示，主要針對4至6伏范圍內的不同電壓值。

這個(gè)例子說(shuō)明了驅動(dòng)833mA LED電流所需的組件。電路可以輕易適配，透過(guò)改變Rsense值驅動(dòng)更低電流。只需改變Rgain值，便可選擇不同的溫度斷點(diǎn)。

總結

只需要加入簡(jiǎn)單的電子組件，就可以保護貴重的高亮度LED。這種技巧可以在很多不同的控制系統上應用，同時(shí)適用于采用任何ZXSC系列LED驅動(dòng)器IC的降壓和升壓操作模式。這種熱保護設計有助照明系統的設計人員實(shí)現更小巧、生產(chǎn)成本更低的解決方案。在某些情況下，甚至可以采用在沒(méi)有熱保護的環(huán)境下無(wú)法使用的面積。