LED熱管理：一個(gè)散熱器足夠嗎?

　　LED驅(qū)動(dòng)器

　　這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動(dòng)器主控機(jī)制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動(dòng)器通常是通過(guò)開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供一個(gè)近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)不斷變化的動(dòng)態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動(dòng)器中，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樗c輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。

　　盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量(LED電流)和不可控變量(環(huán)境)的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時(shí)，LED的前向電壓降低。因?yàn)殡娏鞅徊粩嗾{(diào)整，因此功率降低，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)LED的安全工作范圍。此時(shí)，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導(dǎo)致熱逸散和災(zāi)難性的LED故障。

　　每個(gè)LED制造商都提供了對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度變化的最大前向電流的特性曲線。如圖2所示的Cree XRE系列曲線，該曲線標(biāo)明了推薦的LED過(guò)溫安全工作范圍(SOA)。這個(gè)快速的參考設(shè)計(jì)資料提供了多重θ_JA圖形。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)表規(guī)定了θ_JS，而在運(yùn)行良好的系統(tǒng)中可以忽略θ_SH，因此θ_HA是一個(gè)可控變量。對(duì)于給定的θ_HA，維持LED驅(qū)動(dòng)電流在限定范圍內(nèi)，可防止LED在非安全狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)的熱逸散和/或大幅的壽命衰減。

　　從圖2中不難看出大型散熱器會(huì)擴(kuò)大LED的適用范圍。不過(guò)，在一些LED應(yīng)用中，高昂的散熱器成本及更大的散熱器體積令人望而卻步。對(duì)于此類應(yīng)用，為了實(shí)現(xiàn)散熱，需要良好的解決方案。

　　比起針對(duì)每個(gè)規(guī)格設(shè)計(jì)一個(gè)大容差范圍的熱管理方案，設(shè)計(jì)師更愿意采用通用方案。這令LED驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用成為可能。由于驅(qū)動(dòng)器會(huì)調(diào)節(jié)電流及功率，因此僅需對(duì)非安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并令驅(qū)動(dòng)器可以做出相應(yīng)反應(yīng)即可。

　　熱折返

　　考慮到制造商規(guī)定的前向電流額降，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在能夠依靠LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供有幫助的控制機(jī)構(gòu)，從而對(duì)LED提供熱保護(hù)。由于多數(shù)新的LED驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)光輸入，因此幾乎總有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)降低向LED的輸出電流。鑒于此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)檢測(cè)靠近LED的溫度。如果系統(tǒng)有良好的熱阻特點(diǎn)，那么LED的結(jié)點(diǎn)溫度就能通過(guò)測(cè)量來(lái)內(nèi)推。

　　因此，LED驅(qū)動(dòng)器可以按照如圖3所示的需求來(lái)維持或降低調(diào)節(jié)電流。該圖可以改變，并且基本上與制造商的數(shù)據(jù)表規(guī)范相吻合，也可將其繪制的更保守一些。無(wú)論用什么方式，都要保護(hù)LED免受電流過(guò)剩與過(guò)熱的損害。特別是，可以依據(jù)所需減少對(duì)散熱器要求，因?yàn)樽畈顥l件導(dǎo)致的熱逸散能被去除。

　　熱折返可在許多方面應(yīng)用。最常見和最簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)NTC(負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻測(cè)量LED附近的溫度，如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個(gè)隨溫度降低而增大，隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設(shè)定值偏離基準(zhǔn)電壓，并且底部電阻器是一個(gè)熱敏電阻，那么分電壓將隨溫度增加而降低。假如將該電壓鉗制在低于基準(zhǔn)電壓的最大電壓上，那么對(duì)于一些上升至最大溫度斷點(diǎn)(TBK)的溫度范圍來(lái)說(shuō)，該電壓就被固定為鉗位電壓。然而，對(duì)于高于TBK的溫度而言，電壓將下降，如圖3所示。這個(gè)電壓可以用來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)器的模擬調(diào)光輸入以實(shí)施基本熱折返。

　　LED調(diào)光時(shí)，折返圖形會(huì)有不同。由于標(biāo)稱LED電流水平(ILED-NOM)被降低為調(diào)光電流水平(ILED-DIM)，可對(duì)折返圖加以修正以與新的溫度斷點(diǎn)(TBK-DIM)相適應(yīng)。這擴(kuò)大了LED使用的溫度范圍，如圖3所示。可根據(jù)不同器件，分步或連續(xù)完成。

　　另外一個(gè)變體是額外的最小LED電流(ILED-MIN)鉗制，用來(lái)防止LED電流為零，同見圖3。有許多應(yīng)用中，終端用戶出于安全原因，不想要成套的熱折返。而使用這個(gè)特性，最小需求電流鉗制可以允許系統(tǒng)不受安全運(yùn)行范圍約束。然而，就這一點(diǎn)而言，用戶情愿以縮短使用壽命為代價(jià)來(lái)?yè)Q取短期功能。

　　路燈舉例

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的路燈暴露于苛刻的環(huán)境條件中，且在整個(gè)使用壽命期間，由于各種原因，機(jī)械散熱器的性能可能會(huì)降低。這種性能的降低極大地增加了總熱阻θ_JA，而且最終將導(dǎo)致更高的LED結(jié)點(diǎn)溫度從而縮減使用壽命。為滿足市政設(shè)施關(guān)于使用壽命的要求，在路燈中熱折返幾乎總是必要的。

　　圖5所示為一個(gè)100W的路燈應(yīng)用。前端交流-直流轉(zhuǎn)換器獲得一個(gè)120V交流電輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為35V直流輸入。第二階段是一個(gè)LM3409恒流降壓型LED驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載為6串并聯(lián)，其中每串串聯(lián)8只LED;每串驅(qū)動(dòng)電流為700mA。

　　LM3409用簡(jiǎn)單的磁滯控制方法調(diào)節(jié)電流。在主開關(guān)(Q1)接通期間，電感器電流斜升至由IADJ引腳設(shè)置的峰值電流閾值。一旦達(dá)到該閾值，Q1關(guān)斷并且電感器電流斜降，直到程控關(guān)斷計(jì)時(shí)器停止。關(guān)斷計(jì)時(shí)器的程控是通過(guò)來(lái)自輸出電壓的RC實(shí)施的。這使得計(jì)時(shí)器與輸出電壓成正比，結(jié)果導(dǎo)致電感器電流紋波和隨后的原本恒定的LED電流紋波超越運(yùn)行范圍。

　　在IADJ上降低電壓(從1.24V降至0V)，平均LED電流的持續(xù)模擬調(diào)光能夠很容易實(shí)施。假如IADJ的電壓達(dá)到或高于1.24V，那么應(yīng)調(diào)整LED的最大標(biāo)稱電流。當(dāng)IADJ引腳電壓降至1.24V時(shí)，電流開始調(diào)光，對(duì)執(zhí)行熱折返提供了一個(gè)極好的方法。

　　該應(yīng)用中的熱折返電路比以前描述的更加基本化，僅利用一個(gè)IADJ附加的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的阻值將高于250kΩ(IADJ大于1.24V)，直到溫度達(dá)到要求的斷點(diǎn)。然后作為NTC的一個(gè)功能，電阻降低，同時(shí)分別降低了IADJ的電壓和LED電流。