隨著高功率LED技術(shù)的成熟，工程師們收集的數(shù)據(jù)定量地證實(shí)了過熱會(huì)如何縮短固態(tài)照明（SSL）的使用壽命。例如，在120°C的結(jié)溫下工作時(shí)持續(xù)60,000小時(shí)的LED在150°C下工作時(shí)會(huì)發(fā)光超過10,000小時(shí)。因此，熱管理很快成為SSL設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵部分。

設(shè)計(jì)人員通常使用被動(dòng)技術(shù)來散熱。在正常操作期間，這些方法工作良好，但是當(dāng)SSL暴露于異常溫暖的溫度時(shí)，可能難以消散所有熱量。

最近，LED電源（LED驅(qū)動(dòng)器）制造商已經(jīng)為其設(shè)備增加了限流功能，使工程師能夠確定LED結(jié)溫并在溫度過高時(shí)關(guān)閉燈芯。過溫保護(hù)可延長(zhǎng)LED壽命并最大限度地減少災(zāi)難性故障。主動(dòng)保護(hù)方法還鼓勵(lì)使用更小的散熱器 - 節(jié)省成本和空間 - 并且對(duì)特定產(chǎn)品的最高工作溫度提供更大程度的控制。本文將介紹這些較新的熱管理技術(shù)的工作原理。

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熱量是電致發(fā)光過程的副產(chǎn)品，可使LED點(diǎn)亮。半導(dǎo)體中空穴和電子的重組導(dǎo)致一些光子離開LED并有助于整體照明，但是其他光子在模具中被重新吸收，從而產(chǎn)生熱量。在器件工作時(shí)發(fā)生的LED晶格的微小振動(dòng)也會(huì)升高溫度。盡管LED與傳統(tǒng)光源相比具有很高的功效，但應(yīng)用于該設(shè)備的約70％至80％的電能仍然轉(zhuǎn)換為熱而不是光。

因?yàn)長(zhǎng)ED結(jié)很小，所以能量很小密度高，溫度迅速上升。現(xiàn)代芯片的結(jié)溫（TJ）升至140°C及以上并不罕見。在高溫下長(zhǎng)時(shí)間操作是不希望的，因?yàn)樗鼤?huì)引起色度漂移并縮短壽命。 （參見TechZone文章“對(duì)白光LED色度的熱效應(yīng)”和“了解高亮度LED中的褪色原因。”）

Cree，Lumileds，OSRAM和Seoul Semiconductor等LED制造商提供從多年的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中收集到的有關(guān)溫度對(duì)壽命影響的有用信息。例如，圖1顯示了Lumileds LUXEON C白光LED在結(jié)溫升高時(shí)的估計(jì)壽命。左側(cè)軸表示相對(duì)亮度。當(dāng)新產(chǎn)品（L70）的亮度低于輸出的70％時(shí)，LED制造商認(rèn)為L(zhǎng)ED會(huì)“失敗”。 LUXEON C是一個(gè)118流明，120流明/瓦（350毫安，2.75伏）LED，從圖表中可以看出，相差20°C可以將LED的壽命縮短約60,000小時(shí)（從LJ為80,000小時(shí)，TJ = 115°C至20,000小時(shí)，TJ = 135°C）。 1

圖1：結(jié)溫對(duì)LUXEON C LED發(fā)光度的影響。 （LED壽命是在光度下降到新時(shí)的70％時(shí)測(cè)量的。）

考慮到使用LED設(shè)計(jì)時(shí)熱管理的重要性，關(guān)于該主題的設(shè)計(jì)信息很多就不足為奇了。可供設(shè)計(jì)界使用。 Digi-Key文章庫(kù)中有關(guān)LED熱管理的項(xiàng)目包括“了解LED內(nèi)部熱阻”，“LED燈具的散熱考慮”和“LED熱管理的基礎(chǔ)知識(shí)”。

無源熱管理技術(shù)在將LED照明融入主流照明領(lǐng)域方面發(fā)揮了重要作用。設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)指定低熱阻LED和基板，并輔以散熱器，以消除器件結(jié)的熱量。然而，雖然這種技術(shù)令人滿意地工作，但它確實(shí)具有許多缺點(diǎn)，包括增加照明裝置的尺寸和增加成本。散熱器可占SSL夾具成本的三分之一。此外，作為被動(dòng)方法，機(jī)械熱管理無法補(bǔ)償環(huán)境溫度的大幅度波動(dòng)，例如室外SSL可能會(huì)受到影響。

主動(dòng)熱管理

最近，設(shè)計(jì)人員一直致力于通過主動(dòng)技術(shù)來補(bǔ)充被動(dòng)熱管理，以應(yīng)對(duì)LED壽命顯著縮短或設(shè)備甚至可能發(fā)生災(zāi)難性故障的“極端”情況。保護(hù)LED的最簡(jiǎn)單方法是選擇具有過溫保護(hù)功能的LED驅(qū)動(dòng)器。

許多現(xiàn)代LED驅(qū)動(dòng)器都具有過溫保護(hù)功能。例如，ADI公司最近推出的ADP8140擁有這樣的功能。 ADP8140是一款線性穩(wěn)壓器，采用3至30 V輸入電壓工作，可提供高達(dá)500 mA的恒定電流。如果LED驅(qū)動(dòng)器的芯片溫度超過150°C，ADP8140將關(guān)閉功率級(jí)。當(dāng)溫度降至130°C以下時(shí)，ADP8140將重新啟動(dòng)電源。如果故障或高功耗仍然存在，則重復(fù)序列。 （請(qǐng)注意，ADP8140還可以與外部熱傳感器一起使用，以增強(qiáng)熱保護(hù)。）

過熱保護(hù)的缺點(diǎn)是缺乏精確度，它依賴于測(cè)量LED驅(qū)動(dòng)器的溫度而不是LED結(jié)本身的溫度。即使設(shè)備非常靠近，LED驅(qū)動(dòng)器也可能比LED溫度高幾度，這可能會(huì)在嚴(yán)格要求時(shí)觸發(fā)關(guān)機(jī)。更糟糕的是，相反的情況可能是正確的，導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)器切斷之前LED損壞。第二個(gè)缺點(diǎn)是許多LED驅(qū)動(dòng)器的過溫保護(hù)包括在達(dá)到閾值溫度時(shí)完全切斷功率。這幾乎不方便，特別是如果燈光照亮了公共空間。因此，工程師傾向于將關(guān)閉功能設(shè)置為在非常高的溫度下發(fā)生。在防止災(zāi)難性故障的同時(shí)，這對(duì)延長(zhǎng)LED壽命沒有任何作用。

此外，許多LED驅(qū)動(dòng)器在系統(tǒng)冷卻后自動(dòng)重啟。如果過熱是由于故障或極端情況（例如異常高的環(huán)境溫度）導(dǎo)致的，則系統(tǒng)可能會(huì)再次快速關(guān)閉，從而導(dǎo)致令人不安的閃爍效應(yīng)。

一種比簡(jiǎn)單更微妙的技術(shù)當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)器是采用反饋回路，該反饋回路包括非常靠近LED結(jié)的熱傳感器。通過在照明電路中添加負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻（通常具有小封裝尺寸并具有良好的性價(jià)比），可以逐漸減少驅(qū)動(dòng)LED的電流，從而降低功耗以限制雖然減小電流會(huì)降低亮度，但設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置最小電流，以便NTC傳感器啟動(dòng)時(shí)的亮度變化低于消費(fèi)者可以檢測(cè)到的閾值。幸運(yùn)的是，人眼在檢測(cè)高亮度設(shè)備的光度變化方面很差，因此在控制溫度和顯著降低亮度之間的平衡方面存在合理的靈活性。在任何情況下，調(diào)光而不是關(guān)閉都會(huì)更加方便。

LED驅(qū)動(dòng)器制造商通過在其芯片上添加專用引腳以接受電阻器的輸入，將NTC電阻器加入到夾具電子設(shè)備中變得更加簡(jiǎn)單。 NTC熱敏電阻被稱為熱折返電路，盡可能靠近LED的結(jié)點(diǎn)放置，以提高溫度測(cè)量的精度。隨著溫度的升高（高于設(shè)計(jì)人員確定的設(shè)定值），熱敏電阻的電阻降低，從而觸發(fā)驅(qū)動(dòng)LED的輸出電流的相應(yīng)降低。 LED驅(qū)動(dòng)器制造商使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）或模擬調(diào)光來降低輸出電流。 （參見TechZone文章“熱折返如何提高LED照明燈具的可靠性。”）

LED驅(qū)動(dòng)器通常將與熱傳感器相連的電流減少電路并入其產(chǎn)品中。例如，安森美半導(dǎo)體的CAT4101是具有熱折返功能的1A恒流線性LED驅(qū)動(dòng)器。 LED驅(qū)動(dòng)器采用3至5.5 V輸入工作，提供高達(dá)1 A的25 V輸出。一旦LED結(jié)溫超過150°C，通過改變PWM占空比可以降低電流。圖2顯示了LED驅(qū)動(dòng)電流（紅色）如何隨NTC熱敏電阻的電阻特性（藍(lán)色）變化。 2

圖2：安森美半導(dǎo)體CAT4101 LED驅(qū)動(dòng)器的熱折返特性。

德州儀器（TI）等公司還提供一系列具有熱折返功能的LED驅(qū)動(dòng)器。例如，LM3424是一個(gè)降壓/升壓（“降壓/升壓”）LED驅(qū)動(dòng)器。該器件能夠在4.5 V至75 V輸入電壓下工作，同時(shí)提供高達(dá)5 A的恒定電流。熱折返功能允許工程師對(duì)斷點(diǎn)（電流降低開始的溫度）和電流降低的梯度進(jìn)行編程斜率。

改善LED熱保護(hù)

雖然基于溫度傳感器的熱管理技術(shù)運(yùn)行良好，但存在一些缺點(diǎn)。首先，添加NTC熱敏電阻會(huì)增加復(fù)雜性;精度，響應(yīng)和梯度取決于設(shè)備的安裝方式。其次，除非指定高端（因此昂貴）器件，否則溫度/電阻斜率不是線性的，使得精確控制電流更加困難。第三，單獨(dú)的電流降低有時(shí)不足以將結(jié)溫限制在安全區(qū)域，迫使工程師采用傳統(tǒng)的過溫保護(hù)來支持保護(hù)。

由于NTC熱敏電阻熱折返的缺點(diǎn)一些LED驅(qū)動(dòng)器制造商已經(jīng)采取了進(jìn)一步的熱保護(hù)措施。英飛凌科技已經(jīng)實(shí)施了一項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的技術(shù)，其中LED驅(qū)動(dòng)器本身成為溫度傳感元件，完全省去了NTC熱敏電阻。該公司已在其ILD6070 LED驅(qū)動(dòng)器IC中實(shí)施該技術(shù)。 ILD6070是一款降壓電壓轉(zhuǎn)換器，能夠在4.5至60 V輸入電壓下工作，同時(shí)提供高達(dá)700 mA的電流。它采用熱優(yōu)化的SOIC-8封裝。

LED驅(qū)動(dòng)器與LED緊密熱耦合，用作溫度參考。如果LED的溫度超過預(yù)定的最大溫度，則根據(jù)預(yù)編程的斜率調(diào)光特性減小電流。該公司聲稱，這種連續(xù)的調(diào)整范圍允許系統(tǒng)達(dá)到平衡點(diǎn)，確保光源在壓力條件下繼續(xù)運(yùn)行 - 盡管光輸出減少。

如果熱平衡受到額外的影響熱負(fù)荷逐漸減少電流，直到達(dá)到目標(biāo)LED平均電流的最小值的25％，并且光源將繼續(xù)提供光輸出，其亮度為目標(biāo)光輸出的25％。這種保護(hù)允許工程師設(shè)計(jì)具有較低安全裕度的無源熱管理，因?yàn)槿绻麥囟壬仙椒浅８叩乃剑鲃?dòng)熱保護(hù)將接管。

ILD6070的溫度參考值根據(jù)斜率調(diào)光特性確定驅(qū)動(dòng)電壓（VDRIVE）（圖3）。驅(qū)動(dòng)電壓又決定LED驅(qū)動(dòng)電流（iL），其與LED的發(fā)光度成比例。通過將VDRIVE信號(hào)與內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)調(diào)光，鋸齒波信號(hào)又產(chǎn)生PWM脈沖序列。 （由于LED驅(qū)動(dòng)器與LED的熱耦合并不總是可能的，因此ILD6070可以采用NTC熱敏電阻的傳統(tǒng)配置，同時(shí)仍然利用斜率調(diào)光特性。） [3]

圖3：英飛凌科技的ILD6070測(cè)量LED溫度并根據(jù)溫度設(shè)置驅(qū)動(dòng)電壓斜率調(diào)光特性。

設(shè)計(jì)人員可以通過在ILD6070的Tadj和GND引腳上使用外部電阻來設(shè)置LED結(jié)溫閾值（電流限制開始時(shí)的點(diǎn)）。這具有允許設(shè)計(jì)者將高結(jié)溫的有害影響與系統(tǒng)成本和尺寸進(jìn)行權(quán)衡的優(yōu)點(diǎn)。通過將閾值溫度設(shè)置得相對(duì)較低，LED將持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，但系統(tǒng)將需要更大的散熱器以確保熱量快速消散，使得燈具在正常操作條件下不會(huì)重復(fù)進(jìn)入限流范圍。圖4顯示了各種電阻值對(duì)ILD6070電流輸出占空比（以及其輸出電流）的影響。

圖4：觸發(fā)點(diǎn)可以通過選擇不同的電阻值來改變ILD6070的限流操作。

超溫安全網(wǎng)

無源熱管理將繼續(xù)在SSL設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保LED產(chǎn)生的熱量通過使用低熱阻LED和基板以及具有足夠容量的散熱器散發(fā)出來，以便在所有預(yù)期的工作條件下將熱量散發(fā)到環(huán)境中。

當(dāng)發(fā)生組件故障或極高環(huán)境溫度等無法預(yù)料的事件時(shí)，主動(dòng)溫度控制開始發(fā)揮作用。這些條件會(huì)對(duì)LED產(chǎn)生熱應(yīng)力并大大縮短其壽命。在最壞的情況下，熱應(yīng)力可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。使用溫度傳感器反饋回路可在LED溫度過高時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電流，從而消除熱應(yīng)力并防止故障。這種“安全網(wǎng)”允許設(shè)計(jì)人員指定較小的散熱器，安全系數(shù)較低 - 節(jié)省成本和空間 - 確保主動(dòng)溫度控制可以滿足過溫條件。

主動(dòng)溫度控制繼續(xù)發(fā)展，最新的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案通過消除外部溫度傳感器提供簡(jiǎn)化和靈活的設(shè)計(jì)解決方案，并允許設(shè)計(jì)人員選擇電流限制開始的溫度。