大功率LED驅(qū)動(dòng)的溫度補(bǔ)償技術(shù)分析

　　與其它的燈源相比，大功率LED會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，這主要是因?yàn)閘ed不通過(guò)紅外輻射進(jìn)行散熱。一般而言，用于驅(qū)動(dòng)LED的功耗有75%～85%最終轉(zhuǎn)換為熱能，過(guò)多的熱量會(huì)減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色,加速LED老化。因此，熱管理是LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)方面。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過(guò)尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導(dǎo)率外殼等來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。但是，工程師們需要改變他們的理念，熱管理并不是機(jī)械設(shè)計(jì)師的專(zhuān)利，電子工程師同樣可以進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行熱管理是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又可靠的方法。

　　溫度補(bǔ)償原理

　　一般而言，大功率LED的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中都會(huì)標(biāo)明不同環(huán)境溫度（或LED焊點(diǎn)的溫度）下的最高容許輸出電流（如圖1）的曲線(xiàn)圖。當(dāng)周?chē)鷾囟鹊陀诎踩珳囟赛c(diǎn)，輸出最高容許電流保持不變；當(dāng)高于安全溫度點(diǎn)，輸出最高容許電流隨周?chē)鷾囟壬叨档?，即所謂的降額曲線(xiàn)。為確保LED的性能壽命不受影響，必須保證LED工作在降額曲線(xiàn)與橫、縱坐標(biāo)軸所包絡(luò)的安全區(qū)內(nèi)。

圖 1 LED 降額曲線(xiàn)

　　但是，目前大多數(shù)LED燈具生產(chǎn)商都將LED的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)為不隨溫度變化的恒流源，因此，當(dāng)LED周?chē)鷾囟雀哂诎踩珳囟赛c(diǎn)時(shí)，工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)，這將導(dǎo)致LED的壽命遠(yuǎn)低于規(guī)格書(shū)的數(shù)值甚至直接損壞。而LED周?chē)鷾囟冗^(guò)高是由LED自身發(fā)熱導(dǎo)致，目前有兩個(gè)辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題。　　

　　一種辦法是使用導(dǎo)熱性更好的散熱裝置，減小LED芯片至環(huán)境的熱阻，控制LED內(nèi)部溫度不至比環(huán)境溫度高太多，但這需要較高的成本。此外，難以避免的問(wèn)題是，當(dāng)散熱裝置使用一段時(shí)間后在燈體外殼的散熱片上沉積灰塵，以及鋁合金基敷銅板上連接銅層和鋁基板的介質(zhì)層老化脫膠都將導(dǎo)致熱阻較大幅度地上升，導(dǎo)致整體散熱性能下降。另一種辦法是使LED工作在安全區(qū)邊際，這樣既滿(mǎn)足在安全溫度點(diǎn)內(nèi)輸出電流、輸出功率工作在額定狀態(tài)且恒定，而且在高于安全溫度點(diǎn)輸出電流按比例下降進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，保證LED使用壽命，這就是溫度補(bǔ)償?shù)暮x。

　　數(shù)字溫度傳感器配合驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償

　　有些照明產(chǎn)品需要一些智能控制，如一些高級(jí)路燈的應(yīng)用，這些系統(tǒng)往往使用單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。這時(shí)可利用原有的單片機(jī)控制系統(tǒng)加入溫度補(bǔ)償功能，即便在惡劣的環(huán)境下，如夏日曝曬，系統(tǒng)內(nèi)的溫度仍能得到很好地控制。　

　　圖2為此類(lèi)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單路LED串的示意圖。溫度檢測(cè)部分采用了矽恩微電子公司生產(chǎn)的高精度數(shù)字溫度傳感器SN1086，SN1086可以同時(shí)檢測(cè)芯片本身溫度，相當(dāng)于間接檢測(cè)PCB溫度，又能檢測(cè)遠(yuǎn)端三級(jí)管溫度，若將三極管與LED一同焊接在鋁基板上便可以檢測(cè)鋁基板溫度。SN1086將檢測(cè)到的兩種溫度通過(guò)芯片內(nèi)部的高精度DELta-Sigma ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將溫度的數(shù)字結(jié)果通過(guò)I2C總線(xiàn)的SDA數(shù)據(jù)線(xiàn)和SCL時(shí)鐘線(xiàn)與單片機(jī)通信。當(dāng)單片機(jī)接受到鋁基板溫度結(jié)果后與預(yù)設(shè)定的安全溫度點(diǎn)閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)啟動(dòng)溫度補(bǔ)償程序，通過(guò)PWM1按比例降低LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。單片機(jī)同時(shí)監(jiān)控PCB板溫度，溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)PWM2信號(hào)線(xiàn)控制風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行散熱，確保板上的元器件尤其是電解電容的溫度不會(huì)過(guò)高。　

　　這種系統(tǒng)控制極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并保證整體系統(tǒng)的使用壽命，實(shí)踐證明系統(tǒng)內(nèi)部溫度得到很好地控制，但硬件成本較高，適于中高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　DC-DC降壓LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償

　　若能將溫度補(bǔ)償功能集成在芯片內(nèi)部，這將極大降低使用成本和所占空間。SN3352正是為了這個(gè)目的而設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片，SN3352是降壓型 DC-DC恒流芯片，工作電壓范圍6~40V，輸出電流達(dá)700mA，溫度補(bǔ)償未啟動(dòng)時(shí)恒流性能優(yōu)良，適用于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的1W或者3W LED燈。 SN3352具備調(diào)光功能，通過(guò)改變ADJI引腳的模擬電壓或者對(duì)此引腳施加PWM信號(hào)都能實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。SN3352內(nèi)部集成了矽恩微電子自有專(zhuān)利技術(shù)的溫度補(bǔ)償電路，溫度補(bǔ)償功能需要外接一個(gè)普通電阻Rth用于設(shè)置溫度補(bǔ)償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth和一個(gè)檢測(cè)溫度的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻Rntc配合實(shí)現(xiàn)。

　SN3352通過(guò)RNTC引腳不斷測(cè)量與LED焊接在同一塊鋁基板的熱敏電阻Rntc阻值，隨著LED鋁基板溫度上升，當(dāng)熱敏電阻的阻值低至與連接在RTH引腳上的普通電阻Rth阻值相等時(shí)，溫度補(bǔ)償功能啟動(dòng)，輸出電流將會(huì)自動(dòng)隨溫度升高而降低，由此可見(jiàn)，溫度補(bǔ)償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth可以通過(guò)改變 Rth阻值進(jìn)行更改。而電流隨溫度降低的斜率可以通過(guò)選擇不同B常數(shù)的熱敏電阻來(lái)決定。

　　輸出電流的公式如下：

當(dāng)Rntc>Rth時(shí)，溫度補(bǔ)償未啟動(dòng)，輸出電流保持不變，大小由設(shè)置電流電阻Rs和ADJI引腳電壓決定：

其中：VADJI為調(diào)光引腳ADJI引腳的電壓，單位V，調(diào)光范圍0.3V~1.2V，懸空時(shí)電壓為1.2V；

當(dāng)Rntc

其中：, R25為熱敏電阻在25oC下的阻值，B為熱敏電阻的B常數(shù)，熱敏電阻特性主要由這兩個(gè)參數(shù)決定；

根據(jù)輸出補(bǔ)償電流的結(jié)果, 對(duì)不同的溫度做一組電流曲線(xiàn)，不難得出,即便把溫度補(bǔ)償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth設(shè)置在較高溫度,如100oC以上，電流隨溫度降低的斜率仍然保持較高斜率。這區(qū)別于目前市面上其他的溫度補(bǔ)償方案，這些方案在較低溫度保持較大的補(bǔ)償斜率，而在較高溫度補(bǔ)償斜率大幅下降，這有悖于LED降額曲線(xiàn)在高溫斜率更加大的事實(shí)。因此SN3352在高溫仍然保持大的補(bǔ)償斜率可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)LED降額曲線(xiàn)的補(bǔ)償斜率，保證LED工作在安全區(qū)內(nèi)。

　　此外，SN3352還具備級(jí)聯(lián)功能，每個(gè)芯片的ADJO引腳連接下一級(jí)芯片的ADJI引腳，將帶有溫度補(bǔ)償信息的電壓由前一級(jí)芯片的ADJO引腳輸出到下一級(jí)芯片的ADJI引腳。每個(gè)ADJO引腳最多可以驅(qū)動(dòng)5個(gè)ADJI引腳。因此，只需要一個(gè)熱敏電阻就能讓整個(gè)系統(tǒng)共享溫度補(bǔ)償功能，當(dāng)溫度補(bǔ)償啟動(dòng)時(shí)，接入SN3352系統(tǒng)中所有的LED都會(huì)隨溫度上升而下降。

圖4 溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)圖 （Rntc的B=3900,R25=100K,Rth=36K）　

　　應(yīng)用SN3352的溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，可以使用矽恩微電子的SN3352應(yīng)用仿真程序，輸入熱敏電阻的參數(shù)和Tth值后，程序自動(dòng)計(jì)算出Rth選值和生成補(bǔ)償曲線(xiàn)，圖4即為此程序生成。在布線(xiàn)方面，為了不拾取電路噪音，RTH引腳和Rth電阻的連接導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量短，而由于連接RNTC引腳至熱敏電阻 Rntc的連線(xiàn)經(jīng)常需要較長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)至鋁基板，因此緊靠芯片RNTC引腳需要有旁路電容對(duì)地濾除雜波，一般而言0.1?F貼片電容即可。

　　另一款具備溫度補(bǔ)償功能的SN3910主要用于高壓領(lǐng)域的降壓型DC-DC恒流芯片，全電壓范圍輸入，外置高壓MOS管，輸出電流達(dá) 700mA,芯片工作在恒定關(guān)斷時(shí)間模式，具有優(yōu)良的線(xiàn)電壓調(diào)整率。這款芯片主要用于日光燈方案和其他市電直接接入的方案。矽恩微電子將根據(jù)不同客戶(hù)的應(yīng)用方案和溫度補(bǔ)償要求提供與之配套的應(yīng)用電路、BOM表和布板建議，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　線(xiàn)性恒流LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償

　　另一款具備溫度補(bǔ)償功能的LED線(xiàn)性恒流源驅(qū)動(dòng)器是SN3118，其輸出電流可由外接電阻編程，適合20mA~200mA的低電流LED應(yīng)用。 SN3118工作電壓6V~30V，四個(gè)支路電流之間匹配度±5%以?xún)?nèi)，每路最大電流能力達(dá)175mA，工作時(shí)無(wú)EMI問(wèn)題。電路中同樣使用一個(gè)普通電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，當(dāng)熱敏電阻阻值下降至普通電阻阻值時(shí)，溫度補(bǔ)償啟動(dòng)。

　　本文小結(jié)

　　溫度補(bǔ)償功能以其低成本、高可靠性兼顧了LED壽命和輸出功率，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境惡劣或是散熱裝置異常、老化而使得LED性能和壽命受到影響。矽恩微電子的LED驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品覆蓋各種應(yīng)用領(lǐng)域，擁有先進(jìn)的溫度補(bǔ)償技術(shù)，可為客戶(hù)量身定做方案。

圖5 SN3910驅(qū)動(dòng)LED典型應(yīng)用圖

圖6 SN3118驅(qū)動(dòng)LED典型應(yīng)用圖