一種基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動設計

摘要：將LED結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED燈具壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵。文中探討了LED結(jié)溫的測量方法，提出了通過單片機實時測量LED光源的結(jié)溫，在結(jié)溫超出設定值時生成PWM信號調(diào)整電源的輸出功率。文中給出了采用LM3404與PIC12F675組成的基于結(jié)溫保護的電源原理圖和單片機程序框圖。試驗表明，基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動，可使LED燈具可靠性有效提高。
關(guān)鍵詞：LED；結(jié)溫；脈寬調(diào)制；LM3404；PIC12F675

0 引言
隨著LED外延材料、芯片工藝及封裝技術(shù)的進步，LED的發(fā)光效率不斷提高，這使得LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為可能。理論上說，LED具有壽命長、效率高等優(yōu)點，但在一些實際應用中卻給人留下了光衰大、壽命短的印象，這大大影響了半導體照明的普及和推廣。究其原因，主要是LED的驅(qū)動電源問題。
LED壽命長、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測試數(shù)據(jù)表明，LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比，壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低。因此，將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外，將結(jié)溫納入驅(qū)動電源的控制參數(shù)是十分必要的。

1 LED結(jié)溫的檢測
LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，實際測量LED的結(jié)溫比較困難，但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測量。LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的藍光LED典型的伏安特性如圖1所示。

LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負溫度系數(shù)的特點，即在結(jié)溫升高時I／V曲線出現(xiàn)左移現(xiàn)象，如下圖所示。

一般LED的結(jié)溫每升高1℃，I／V曲線會向左平移1．5～4mV，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會增加，電流增加只會使它的結(jié)溫升得更高，甚至導致惡性循環(huán)。所以，目前LED驅(qū)動電源一般設計為恒流供電。
根據(jù)I／V曲線隨結(jié)溫升高左移的規(guī)律，在恒流供電的情況下，測量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫。
在實際應用中，往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時可以用試驗的方法確定整體燈具LED光源結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個12W筒燈為例，光源部分由4并6串中功率LED組成，其電路連接形式如下：

確定正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系的試驗步驟為：1)將光源置入恒溫箱中；2)設置恒溫箱的溫度；3)待恒溫箱內(nèi)溫度充分平衡穩(wěn)定后，在光源兩端接入恒流源；4)迅速測量光源的正向電壓并記錄；5)重復上述步驟1)～(4)，恒溫箱溫度由低到高，測得多點數(shù)據(jù)。
按上述步驟，對12W筒燈光源進行三次測量，數(shù)據(jù)如下：

由表1可以看出，測量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。因測試時間較短，可以將測量時恒溫箱設置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下，通過數(shù)學方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系。利用Excel工具，以溫度為X軸，平均值為Y軸，生成(X，Y)散點圖，選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢圖和公式。

由此可見，一個由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅(qū)動時其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：

式中Vf為LED光源的正向壓降，Tj為結(jié)溫。需要注意的是，不同廠家不同規(guī)格的LED產(chǎn)品雖然都符合上述趨勢，但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異，因此更換廠家后規(guī)格型號需重新試驗。

2 LM3404介紹
隨著LED照明應用的發(fā)展，國內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動LED的器件。其中美國國家半導體公司推出的LM3404及系列產(chǎn)品就是一款非常適用于中小功率LED光源的恒流驅(qū)動芯片。