不容忽視LED驅動(dòng)IC的熱管理

　 在過(guò)去,發(fā)光二極管(LED)僅僅被用作指示燈。其功耗低、電流更低,而且所產(chǎn)生的熱量也不是問(wèn)題。然而,時(shí)代已經(jīng)變了。如今LED的電流已經(jīng)由幾毫安升級到安培;在某些情況下,LED的功率已經(jīng)從幾毫瓦跳躍到10W以上;而LED所產(chǎn)生的熱量——好吧,可以肯定地講,現在已經(jīng)成了一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

　　在過(guò)去,發(fā)光二極管的功率是如此低,所以廢熱非常低,,并且基本上就沒(méi)有被燒壞過(guò),美國國家半導體技術(shù)專(zhuān)家Rick Zarr表示：“然而新款LED所產(chǎn)生的熱量很大,所以如果你不加以正確的控制,就會(huì )對它們的使用壽命造成很大的影響。一個(gè)LED燈泡原本可以用10,20或30年,但如果你控制不當,可能兩年就報廢了。

　　這就是為什么項目工程師現在需要關(guān)注LED驅動(dòng)器。最簡(jiǎn)單的,驅動(dòng)器控制輸入電流和輸入電壓,然后重新配置它們供 LED使用。在這個(gè)方面來(lái)說(shuō),驅動(dòng)器很像在熒光燈上使用了幾十年的鎮流器。

　　雖然,從另一方面來(lái)看來(lái),驅動(dòng)器變得越來(lái)越復雜,這使得它們在高功率、高電流、高熱量LED的新時(shí)代里發(fā)揮著(zhù)更加重要的作用。當前的驅動(dòng)器所具備的功能放到十年前是無(wú)法想象的。例如,通過(guò)感應電流,他們可以估算LED的亮度等級并對其做相應的改變。他們可以補償諸如熱量或老化之類(lèi)的變化,甚至可以將LED用于照明應用。此外,通過(guò)使用“熱量返送”方案,可以避免LED的熱量達到損害其使用壽命的極限值。

　　要感謝這類(lèi)創(chuàng )新,發(fā)光二極管的新品正在許多無(wú)法預見(jiàn)的應用中尋找一個(gè)歸宿。汽車(chē)將LED用作?車(chē)燈、“后視鏡腳燈(注：后視鏡腳燈就是安裝在汽車(chē)兩側反光鏡下面可以向下照亮車(chē)身周?chē)臒?在進(jìn)入比較暗的停車(chē)庫時(shí)使車(chē)輪廓顯得非常漂亮,也可在荒地里照亮泥濘的道路)”甚至是前燈。電視機將LED用作背光;市政部門(mén)將LED用作街燈;而消費類(lèi)電子制造商正在將它們用于上網(wǎng)本、平板電腦和GPS系統。

　　“LED的發(fā)展一年比一年好”,德州儀器公司照明電源產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Peter Di Maso表示。 “這些改進(jìn)使得LED可被用于一般照明,這就是為什么對更好的驅動(dòng)器存在這么迫切的需求?！?/P>

　　避免發(fā)熱

　　對于驅動(dòng)器制造商而言,挑戰在于要在一個(gè)小封裝內添加必要的特性。驅動(dòng)器芯片非常小,尺寸通常為10 × 10毫米或更小。并且,隨著(zhù)LED制造商將LED納入燈泡設計以取代白熾燈泡,未來(lái)的驅動(dòng)器芯片需要做成更小的尺寸。

　　隨著(zhù)它們轉向這類(lèi)應用,驅動(dòng)器需要具備避免發(fā)光二極管過(guò)熱的能力。為了做到這一點(diǎn),很多供應商傾向于通過(guò)向客戶(hù)銷(xiāo)售散熱器和風(fēng)扇來(lái)幫助散熱。盡管越來(lái)越多的LED用戶(hù)希望在LED需要進(jìn)行散熱之前將其熱量降到最低,而解決這一問(wèn)題就要從驅動(dòng)器下手。

　　“在理想情況下LED使用壽命可以達到幾千小時(shí)“,Bowling表示。 “但是,要實(shí)現這一點(diǎn),必須讓LED在其正常的工作溫度范圍內工作。如果你將LED放在一個(gè)狹小的空間里,那么你需要解決如何散熱的問(wèn)題?！?/P>

　　驅動(dòng)器制造商正在通過(guò)開(kāi)發(fā)更新更好的特性來(lái)幫助工程師處理這類(lèi)問(wèn)題 。例如,美國國家半導體公司已將一個(gè)為“熱量返送(thermal foldback)”的特性整合到多款器件---LM3464和LM3424。通過(guò)采用熱量返送機制,新款器件可以調節電流,以使LED始終工作在其最大工作范圍內。

　　“熱量返送并不完全是設計用于出于保護燈泡的目的而進(jìn)行的散熱?！盳arr表示。 “如果你所處的情況是LED正在接近其工作臨界溫度,驅動(dòng)器會(huì )將折返電流并將燈泡調暗?！?/P>

　　驅動(dòng)器還將給LED用戶(hù)其它理由來(lái)限制流經(jīng)器件的電流。例如,Analog Devices公司可以用其ADP1650驅動(dòng)器來(lái)控制常被用于相機閃光燈的高亮度LED中的電流。

　　“從亮度的角度來(lái)看,可以通過(guò)電流輕松地對LED進(jìn)行控制”,ADI公司的電源管理部技術(shù)總監Jose Rodriguez表示。 “因此,我們在我們的驅動(dòng)器內部設置電流并且對其進(jìn)行嚴密控制?！?/P>

　　控制調光器

　　專(zhuān)家指出,在過(guò)去幾年里,零部件廠(chǎng)商讓驅動(dòng)器的功能更加強大。交流控制三極管(TRIAC)調光電路長(cháng)期以來(lái)被視作是半導體照明的難題,如今可以和LED一同使用。專(zhuān)家稱(chēng),通過(guò)在這類(lèi)電路使用LED,這將促成許多面向家庭、商業(yè)和工業(yè)照明的新應用的出現。

　　“當人們在真正的轉向LED燈泡的時(shí)候,他們不希望改變其基礎設施,” Zarr表示。 “他們不希望必須將調光器從墻上拿走。這就是為什么我們需要一款針對調光應用的解決方案?！?/P>

　　美國國家半導體的LM3445就是一個(gè)調光解決方案的例子。LM3445整合了用于讀取標準 TRIAC調光器調光信號的電路,并將這一信息轉換成脈寬調制電流來(lái)驅動(dòng)LED。

　　德州儀器的TPS92010解決了一個(gè)TRIAC-LED方案中常見(jiàn)的功耗問(wèn)題。TPS92010集成了一個(gè)在TRIAC使用過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生功耗的電路。

　　“僅在光源的電壓輸入是零的情況下才會(huì )有電流,所以功耗是零瓦,”德州儀器(TI)的Di Maso表示。 TI向那些希望將這一功能整合到其所設計燈泡的工程師們提供了一款評估模塊。

　　增加的智能

　　因為驅動(dòng)器制造商希望增加新的功能,他們還在產(chǎn)品整合了微控制器。板載智能使得基于微控制器的驅動(dòng)器成為實(shí)現調光這類(lèi)功能的最佳候選,因為這使其能夠監測各項功能,然后有針對地做出決定。

　　“驅動(dòng)器可以使用系統的輸入——在本案例中是來(lái)自TRIAC調光器的輸入,” Microchip公司的Bowling表示。 “它可以讀取線(xiàn)性電壓。它可以讀取TRIAC調光器的占空比。它可以監測LED的工作電壓和溫度。然后,它再做出決定以保持系統在所選定的亮度等級下正常運行?！?/P>

　　Microchip提供了面向驅動(dòng)器應用8位微控制器系列產(chǎn)品和16位數字信號控制器系列產(chǎn)品。8位微控制器PIC16F785整合了模擬外設,包括運算放大器、比較器和12通道10位A / D轉換?！翱梢栽谖⑻幚砥魃系拇罱K,”Bowling稱(chēng),“你可以采用模擬器件來(lái)調節驅動(dòng)器和微處理器,以促進(jìn)這一功能?！?/P>

　　Microchip的16位dsPIC 33GS數字信號控制器系列向前邁進(jìn)了一步,整合了極高速的A / D轉換器,使得它們能夠實(shí)時(shí)收集數據。因此,dsPIC系統允許開(kāi)發(fā)人員拓展更先進(jìn)的應用,包括調光、熱保護和顏色控制。

　　同樣,德州儀器提供面向LED驅動(dòng)器應用的Piccolo系列微控制器。在一個(gè)DC/DC式LED開(kāi)發(fā)工具包中,該技術(shù)采用一個(gè)MCU來(lái)控制LED燈串。該套件旨在鎖定那些想要在高功率應用場(chǎng)合下使用LED,且不用經(jīng)常更換燈泡的客戶(hù)。其應用范圍包括路燈、停機坪、工業(yè)照明,這些場(chǎng)所的用戶(hù)不希望頻繁更換燒壞的燈泡。

　　“Piccolo微控制器可以通過(guò)遠程命令將特定的LED燈串設定在指定等級的亮度”,德州儀器C2000微控制器營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Charlie Ice表示。 “它可以檢測電流和確定其亮度等級,并且可以針對情況進(jìn)行補償。在一個(gè) LED已經(jīng)老化或過(guò)熱的情況,它也可以彌補這一不足?！?/P>

　　沒(méi)有“萬(wàn)能型解決方案”

　　在幾乎所有LED應用中,專(zhuān)家指出,效率是誘發(fā)因素。與白熾燈泡相比,有很多白熾燈泡現在采用數字化控制在特定時(shí)間開(kāi)啟和關(guān)閉,以達到省電,而LED不是一定需要智能控制機制。LED的效率是如此之高,幾乎超出了任何產(chǎn)品,使得其幾乎無(wú)須推行智能控制。

　　這也是為什么汽車(chē)制造商已經(jīng)在尾燈、車(chē)內照明及車(chē)頭燈中采用LED。在某些情況下,LED可以支持30萬(wàn)英里的行程,其使用壽命超過(guò)了其所在車(chē)輛。因此,汽車(chē)設計師們很是積極地在車(chē)輛車(chē)身整合LED模塊,他們知道該模塊可能永遠也不用更換。這樣,反過(guò)來(lái),使得設計人員可以更加充分地發(fā)揮其創(chuàng )造能力,他們發(fā)現整合封裝模塊會(huì )更加容易。

　　出于同樣的考慮,設計工程師也在GPS系統、上網(wǎng)本,平板電腦和電視背光源系統中用到了LED。隨著(zhù)亮度提高和成本下降,高效率的LED變得更有意義?！爱斎?也有用于開(kāi)啟和關(guān)閉照明系統的動(dòng)態(tài)機制”,National Instruments公司的Zarr表示。 “但最簡(jiǎn)單的機制,是首先用效率更高的東西來(lái)替代燈泡”。

　　這就是為什么驅動(dòng)器將一直會(huì )是LED方案的一個(gè)重要組成部分。驅動(dòng)器讓發(fā)光二極管燈泡保持