一種基于結(jié)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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(cè)量方法，提出了通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量LED光源的結(jié)溫，在結(jié)溫超出設(shè)定值時(shí)生成PWM信號(hào)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(hù)的電源原理圖和單片機(jī)程序框圖。試驗(yàn)表明，基于結(jié)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)，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(jìn)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(shuō)，LED具有壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在一些實(shí)際應(yīng)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(dǎo)體照明的普及和推廣。究其原因，主要是LED的驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題。
LED壽命長(zhǎng)、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(cè)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(dòng)電源的控制參數(shù)是十分必要的。

1 LED結(jié)溫的檢測(cè)
LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，實(shí)際測(cè)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(cè)量。LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的藍(lán)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(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，即在結(jié)溫升高時(shí)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(huì)向左平移1．5～4mV，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會(huì)增加，電流增加只會(huì)使它的結(jié)溫升得更高，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以，目前LED驅(qū)動(dòng)電源一般設(shè)計(jì)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(cè)量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫。
在實(shí)際應(yīng)用中，往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時(shí)可以用試驗(yàn)的方法確定整體燈具LED光源結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個(gè)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(yàn)步驟為：1)將光源置入恒溫箱中；2)設(shè)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(cè)量光源的正向電壓并記錄；5)重復(fù)上述步驟1)～(4)，恒溫箱溫度由低到高，測(cè)得多點(diǎn)數(shù)據(jù)。
按上述步驟，對(duì)12W筒燈光源進(jìn)行三次測(cè)量，數(shù)據(jù)如下：

由表1可以看出，測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。因測(cè)試時(shí)間較短，可以將測(cè)量時(shí)恒溫箱設(shè)置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下，通過(guò)數(shù)學(xué)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(diǎn)圖，選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢(shì)圖和公式。

由此可見(jiàn)，一個(gè)由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：

式中Vf為L(zhǎng)ED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(shì)，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(hào)需重新試驗(yàn)。

2 LM3404介紹
隨著LED照明應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動(dòng)LED的器件。其中美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(dòng)芯片。