LED驅(qū)動IC的熱管理不容忽視

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(xiàn)在已經(jīng)成了一個不容忽視的問題。

在過去,發(fā)光二極管的功率是如此低,所以廢熱非常低,,并且基本上就沒有被燒壞過,美國國家半導(dǎo)體技術(shù)專家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,就會對它們的使用壽命造成很大的影響。一個LED燈泡原本可以用10,20或30年,但如果你控制不當(dāng),可能兩年就報廢了。

這就是為什么項目工程師現(xiàn)在需要關(guān)注LED驅(qū)動器。最簡單的,驅(qū)動器控制輸入電流和輸入電壓,然后重新配置它們供 LED使用。在這個方面來說,驅(qū)動器很像在熒光燈上使用了幾十年的鎮(zhèn)流器。

雖然,從另一方面來看來,驅(qū)動器變得越來越復(fù)雜,這使得它們在高功率、高電流、高熱量LED的新時代里發(fā)揮著更加重要的作用。當(dāng)前的驅(qū)動器所具備的功能放到十年前是無法想象的。例如,通過感應(yīng)電流,他們可以估算LED的亮度等級并對其做相應(yīng)的改變。他們可以補償諸如熱量或老化之類的變化,甚至可以將LED用于照明應(yīng)用。此外,通過使用“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。

要感謝這類創(chuàng)新,發(fā)光二極管的新品正在許多無法預(yù)見的應(yīng)用中尋找一個歸宿。汽車將LED用作?車燈、“后視鏡腳燈(注：后視鏡腳燈就是安裝在汽車兩側(cè)反光鏡下面可以向下照亮車身周圍的燈,在進入比較暗的停車庫時使車輪廓顯得非常漂亮,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;市政部門將LED用作街燈;而消費類電子制造商正在將它們用于上網(wǎng)本、平板電腦和GPS系統(tǒng)。

“LED的發(fā)展一年比一年好”,德州儀器公司照明電源產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理Peter Di Maso表示。 “這些改進使得LED可被用于一般照明,這就是為什么對更好的驅(qū)動器存在這么迫切的需求。”

避免發(fā)熱

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

隨著它們轉(zhuǎn)向這類應(yīng)用,驅(qū)動器需要具備避免發(fā)光二極管過熱的能力。為了做到這一點,很多供應(yīng)商傾向于通過向客戶銷售散熱器和風(fēng)扇來幫助散熱。盡管越來越多的LED用戶希望在LED需要進行散熱之前將其熱量降到最低,而解決這一問題就要從驅(qū)動器下手。

“在理想情況下LED使用壽命可以達到幾千小時“,Bowling表示。 “但是,要實現(xiàn)這一點,必須讓LED在其正常的工作溫度范圍內(nèi)工作。如果你將LED放在一個狹小的空間里,那么你需要解決如何散熱的問題。”

驅(qū)動器制造商正在通過開發(fā)更新更好的特性來幫助工程師處理這類問題 。例如,美國國家半導(dǎo)體公司已將一個為“熱量返送(thermal foldback)”的特性整合到多款器件---LM3464和LM3424。通過采用熱量返送機制,新款器件可以調(diào)節(jié)電流,以使LED始終工作在其最大工作范圍內(nèi)。

“熱量返送并不完全是設(shè)計用于出于保護燈泡的目的而進行的散熱。”Zarr表示。 “如果你所處的情況是LED正在接近其工作臨界溫度,驅(qū)動器會將折返電流并將燈泡調(diào)暗。”

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

“從亮度的角度來看,可以通過電流輕松地對LED進行控制”,ADI公司的電源管理部技術(shù)總監(jiān)Jose Rodriguez表示。 “因此,我們在我們的驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)置電流并且對其進行嚴(yán)密控制。”

控制調(diào)光器

專家指出,在過去幾年里,零部件廠商讓驅(qū)動器的功能更加強大。交流控制三極管(TRIAC)調(diào)光電路長期以來被視作是半導(dǎo)體照明的難題,如今可以和LED一同使用。專家稱,通過在這類電路使用LED,這將促成許多面向家庭、商業(yè)和工業(yè)照明的新應(yīng)用的出現(xiàn)。

“當(dāng)人們在真正的轉(zhuǎn)向LED燈泡的時候,他們不希望改變其基礎(chǔ)設(shè)施,” Zarr表示。 “他們不希望必須將調(diào)光器從墻上拿走。這就是為什么我們需要一款針對調(diào)光應(yīng)用的解決方案。”

美國國家半導(dǎo)體的LM3445就是一個調(diào)光解決方案的例子。LM3445整合了用于讀取標(biāo)準(zhǔn) TRIAC調(diào)光器調(diào)光信號的電路,并將這一信息轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制電流來驅(qū)動LED。

德州儀器的TPS92010解決了一個TRIAC-LED方案中常見的功耗問題。TPS92010集成了一個在TRIAC使用過程中不會產(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(shè)計燈泡的工程師們提供了一款*估模塊。

增加的智能

因為驅(qū)動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(qū)動器成為實現(xiàn)調(diào)光這類功能的最佳候選,因為這使其能夠監(jiān)測各項功能,然后有針對地做出決定。

“驅(qū)動器可以使用系統(tǒng)的輸入——在本案例中是來自TRIAC調(diào)光器的輸入,” Microchip公司的Bowling表示。 “它可以讀取線性電壓。它可以讀取TRIAC調(diào)光器的占空比。它可以監(jiān)測LED的工作電壓和溫度。然后,它再做出決定以保持系統(tǒng)在所選定的亮度等級下正常運行。”

Microchip提供了面向驅(qū)動器應(yīng)用8位微控制器系列產(chǎn)品和16位數(shù)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(shè),包括運算放大器、比較器和12通道10位A / D轉(zhuǎn)換。“可以在微處理器上的搭建模塊,”Bowling稱,“你可以采用模擬器件來調(diào)節(jié)驅(qū)動器和微處理器,以促進這一功能。”

Microchip的16位dsPIC 33GS數(shù)字信號控制器系列向前邁進了一步,整合了極高速的A / D轉(zhuǎn)換器,使得它們能夠?qū)崟r收集數(shù)據(jù)。因此,dsPIC系統(tǒng)允許開發(fā)人員拓展更先進的應(yīng)用,包括調(diào)光、熱保護和顏色控制。

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

“Piccolo微控制器可以通過遠程命令將特定的LED燈串設(shè)定在指定等級的亮度”,德州儀器C2000微控制器營銷經(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行補償。在一個 LED已經(jīng)老化或過熱的情況,它也可以彌補這一不足。”

沒有“萬能型解決方案”

在幾乎所有LED應(yīng)用中,專家指出,效率是誘發(fā)因素。與白熾燈泡相比,有很多白熾燈泡現(xiàn)在采用數(shù)字化控制在特定時間開啟和關(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,使得其幾乎無須推行智能控制。

這也是為什么汽車制造商已經(jīng)在尾燈、車內(nèi)照明及車頭燈中采用LED。在某些情況下,LED可以支持30萬英里的行程,其使用壽命超過了其所在車輛。因此,汽車設(shè)計師們很是積極地在車輛車身整合LED模塊,他們知道該模塊可能永遠也不用更換。這樣,反過來,使得設(shè)計人員可以更加充分地發(fā)揮其創(chuàng)造能力,他們發(fā)現(xiàn)整合封裝模塊會更加容易。

出于同樣的考慮,設(shè)計工程師也在GPS系統(tǒng)、上網(wǎng)本,平板電腦和電視背光源系統(tǒng)中用到了LED。隨著亮度提高和成本下降,高效率的LED變得更有意義。“當(dāng)然,也有用于開啟和關(guān)閉照明系統(tǒng)的動態(tài)機制”,National Instruments公司的Zarr表示。 “但最簡單的機制,是首先用效率更高的東西來替代燈泡”。

這就是為什么驅(qū)動器將一直會是LED方案的一個重要組成部分。驅(qū)動器讓發(fā)光二極管燈泡保持低溫,并且延長了燈泡的壽命。此外,LED業(yè)界缺乏標(biāo)準(zhǔn)則意味著今后仍需要有大量的驅(qū)動器解決方案,尤其是在新應(yīng)用不斷增長的情況下。

“LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在正處在演變階段”,Microchip公司Bowling 表示。“我們一直需要新的解決方案。因為沒有適用所有應(yīng)用場合的萬能型解決方案。”

需求不斷增長

當(dāng)然,并非所有形式的照明都需要驅(qū)動器。例如,長期以來,白熾燈泡被優(yōu)化以適用于我們常用的110V電源,因此不需要額外的電路來適配輸入電流到輸出。

然而,發(fā)光二極管要更復(fù)雜一些。“使用LED時,你首先需要了解輸入電源及其變化”,Microchip公司的8位微控制器產(chǎn)品部門應(yīng)用經(jīng)理Steve Bowling表示,“在輸出端,工程師們要需要知道自己的光學(xué)要求和想要產(chǎn)生的流明值。最后,最終目標(biāo)是讓驅(qū)動器提供一個恒流源給LED。”

要感謝被稱之為 Haitz定律的現(xiàn)象,盡管驅(qū)動LED變得更加復(fù)雜和更加有必要。 Haitz定律---一條以安捷倫科技公司的一位退休科學(xué)家Roland Haitz的名字命名的定律---指出,產(chǎn)生1流明的LED成本每10年下降10倍,而每個封裝所產(chǎn)生的亮度會增加20倍。對于LED用戶而言,Haitz定律意味著需求增加,這反過來又意味著開發(fā)新技術(shù)的任務(wù)流向了下游。

“人們就希望在把LED燈裝到位之后就不用再惦記著它”,國家半導(dǎo)體公司的Zarr表示。“他們不希望還要費神想太多,所以這個負(fù)擔(dān)被轉(zhuǎn)移人了LED燈的制造商,然后LED制造商再將壓力轉(zhuǎn)移到其下游的驅(qū)動器制造商。”