LED熱管理：一個散熱器足夠嗎?

　　LED驅(qū)動器

　　這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動器主控機制的動態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動器可適應(yīng)不斷變化的動態(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)動器中，需要對輸出電流進行調(diào)節(jié)，因為它與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，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調(diào)整，因此功率降低，最終達到實現(xiàn)結(jié)點熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會導致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導致熱逸散和災(zāi)難性的LED故障。

　　每個LED制造商都提供了對應(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，該曲線標明了推薦的LED過溫安全工作范圍(SOA)。這個快速的參考設(shè)計資料提供了多重θ_JA圖形。因為在數(shù)據(jù)表規(guī)定了θ_JS，而在運行良好的系統(tǒng)中可以忽略θ_SH，因此θ_HA是一個可控變量。對于給定的θ_HA，維持LED驅(qū)動電流在限定范圍內(nèi)，可防止LED在非安全狀態(tài)下運行時會出現(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擴大LED的適用范圍。不過，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。對于此類應(yīng)用，為了實現(xiàn)散熱，需要良好的解決方案。

　　比起針對每個規(guī)格設(shè)計一個大容差范圍的熱管理方案，設(shè)計師更愿意采用通用方案。這令LED驅(qū)動器的應(yīng)用成為可能。由于驅(qū)動器會調(diào)節(jié)電流及功率，因此僅需對非安全運行狀態(tài)進行檢測，并令驅(qū)動器可以做出相應(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)計師現(xiàn)在能夠依靠LED驅(qū)動器來提供有幫助的控制機構(gòu)，從而對LED提供熱保護。由于多數(shù)新的LED驅(qū)動器具有調(diào)光輸入，因此幾乎總有一個簡單的方法來降低向LED的輸出電流。鑒于此，可以設(shè)計一個電路來檢測靠近LED的溫度。如果系統(tǒng)有良好的熱阻特點，那么LED的結(jié)點溫度就能通過測量來內(nèi)推。

　　因此，LED驅(qū)動器可以按照如圖3所示的需求來維持或降低調(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。無論用什么方式，都要保護LED免受電流過剩與過熱的損害。特別是，可以依據(jù)所需減少對散熱器要求，因為最差條件導致的熱逸散能被去除。

　　熱折返可在許多方面應(yīng)用。最常見和最簡單的方法是使用一個NTC(負溫度系數(shù))熱敏電阻測量LED附近的溫度，如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個隨溫度降低而增大，隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設(shè)定值偏離基準電壓，并且底部電阻器是一個熱敏電阻，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電壓的最大電壓上，那么對于一些上升至最大溫度斷點(TBK)的溫度范圍來說，該電壓就被固定為鉗位電壓。然而，對于高于TBK的溫度而言，電壓將下降，如圖3所示。這個電壓可以用來控制LED驅(qū)動器的模擬調(diào)光輸入以實施基本熱折返。

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

　　另外一個變體是額外的最小LED電流(ILED-MIN)鉗制，用來防止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。而使用這個特性，最小需求電流鉗制可以允許系統(tǒng)不受安全運行范圍約束。然而，就這一點而言，用戶情愿以縮短使用壽命為代價來換取短期功能。

　　路燈舉例

　　一個標準的路燈暴露于苛刻的環(huán)境條件中，且在整個使用壽命期間，由于各種原因，機械散熱器的性能可能會降低。這種性能的降低極大地增加了總熱阻θ_JA，而且最終將導致更高的LED結(jié)點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100W的路燈應(yīng)用。前端交流-直流轉(zhuǎn)換器獲得一個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LM3409恒流降壓型LED驅(qū)動器，負載為6串并聯(lián)，其中每串串聯(lián)8只LED;每串驅(qū)動電流為700mA。

　　LM3409用簡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)斷計時器停止。關(guān)斷計時器的程控是通過來自輸出電壓的RC實施的。這使得計時器與輸出電壓成正比，結(jié)果導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)光能夠很容易實施。假如IADJ的電壓達到或高于1.24V，那么應(yīng)調(diào)整LED的最大標稱電流。當IADJ引腳電壓降至1.24V時，電流開始調(diào)光，對執(zhí)行熱折返提供了一個極好的方法。

　　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)，直到溫度達到要求的斷點。然后作為NTC的一個功能，電阻降低，同時分別降低了IADJ的電壓和LED電流。