LED驅(qū)動(dòng)IC的熱管理不容忽視

如今LED的電流已經(jīng)由幾毫安升級(jí)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(gè)不容忽視的問(wèn)題。

在過(guò)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(méi)有被燒壞過(guò),美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)專(zhuān)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(huì)對(duì)它們的使用壽命造成很大的影響。一個(gè)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(bào)廢了。

這就是為什么項(xiàng)目工程師現(xiàn)在需要關(guān)注LED驅(qū)動(dòng)器。最簡(jiǎn)單的,驅(qū)動(dòng)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(gè)方面來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)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(lái)看來(lái),驅(qū)動(dòng)器變得越來(lái)越復(fù)雜,這使得它們?cè)诟吖β?、高電流、高熱量LED的新時(shí)代里發(fā)揮著更加重要的作用。當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)器所具備的功能放到十年前是無(wú)法想象的。例如,通過(guò)感應(yīng)電流,他們可以估算LED的亮度等級(jí)并對(duì)其做相應(yīng)的改變。他們可以補(bǔ)償諸如熱量或老化之類(lèi)的變化,甚至可以將LED用于照明應(yīng)用。此外,通過(guò)使用“熱量返送”方案,可以避免LED的熱量達(dá)到損害其使用壽命的極限值。

要感謝這類(lèi)創(chuàng)新,發(fā)光二極管的新品正在許多無(wú)法預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用中尋找一個(gè)歸宿。汽車(chē)將LED用作?車(chē)燈、“后視鏡腳燈(注：后視鏡腳燈就是安裝在汽車(chē)兩側(cè)反光鏡下面可以向下照亮車(chē)身周?chē)臒?在進(jìn)入比較暗的停車(chē)庫(kù)時(shí)使車(chē)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(jī)將LED用作背光;市政部門(mén)將LED用作街燈;而消費(fèi)類(lèi)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(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Peter Di Maso表示。 “這些改進(jìn)使得LED可被用于一般照明,這就是為什么對(duì)更好的驅(qū)動(dòng)器存在這么迫切的需求。”

避免發(fā)熱

對(duì)于驅(qū)動(dòng)器制造商而言,挑戰(zhàn)在于要在一個(gè)小封裝內(nèi)添加必要的特性。驅(qū)動(dòng)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(jì)以取代白熾燈泡,未來(lái)的驅(qū)動(dòng)器芯片需要做成更小的尺寸。

隨著它們轉(zhuǎn)向這類(lèi)應(yīng)用,驅(qū)動(dòng)器需要具備避免發(fā)光二極管過(guò)熱的能力。為了做到這一點(diǎn),很多供應(yīng)商傾向于通過(guò)向客戶(hù)銷(xiāo)售散熱器和風(fēng)扇來(lái)幫助散熱。盡管越來(lái)越多的LED用戶(hù)希望在LED需要進(jìn)行散熱之前將其熱量降到最低,而解決這一問(wèn)題就要從驅(qū)動(dòng)器下手。

“在理想情況下LED使用壽命可以達(dá)到幾千小時(shí)“,Bowling表示。 “但是,要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),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(gè)狹小的空間里,那么你需要解決如何散熱的問(wèn)題。”

驅(qū)動(dòng)器制造商正在通過(guò)開(kāi)發(fā)更新更好的特性來(lái)幫助工程師處理這類(lèi)問(wèn)題 。例如,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司已將一個(gè)為“熱量返送(thermal foldback)”的特性整合到多款器件---LM3464和LM3424。通過(guò)采用熱量返送機(jī)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(jì)用于出于保護(hù)燈泡的目的而進(jìn)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(dòng)器會(huì)將折返電流并將燈泡調(diào)暗。”

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

“從亮度的角度來(lái)看,可以通過(guò)電流輕松地對(duì)LED進(jìn)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?cè)谖覀兊尿?qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置電流并且對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密控制。”

控制調(diào)光器

專(zhuān)家指出,在過(guò)去幾年里,零部件廠商讓驅(qū)動(dòng)器的功能更加強(qiáng)大。交流控制三極管(TRIAC)調(diào)光電路長(zhǎng)期以來(lái)被視作是半導(dǎo)體照明的難題,如今可以和LED一同使用。專(zhuān)家稱(chēng),通過(guò)在這類(lèi)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?cè)谡嬲霓D(zhuǎn)向LED燈泡的時(shí)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(duì)調(diào)光應(yīng)用的解決方案。”

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3445就是一個(gè)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(hào)的電路,并將這一信息轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

德州儀器的TPS92010解決了一個(gè)TRIAC-LED方案中常見(jiàn)的功耗問(wèn)題。TPS92010集成了一個(gè)在TRIAC使用過(guò)程中不會(huì)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(huì)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(jì)燈泡的工程師們提供了一款*估模塊。

增加的智能

因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(dòng)器成為實(shí)現(xiàn)調(diào)光這類(lèi)功能的最佳候選,因?yàn)檫@使其能夠監(jiān)測(cè)各項(xiàng)功能,然后有針對(duì)地做出決定。

“驅(qū)動(dòng)器可以使用系統(tǒng)的輸入——在本案例中是來(lái)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(cè)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(jí)下正常運(yùn)行。”

Microchip提供了面向驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用8位微控制器系列產(chǎn)品和16位數(shù)字信號(hào)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(yùn)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(chēng),“你可以采用模擬器件來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和微處理器,以促進(jìn)這一功能。”

Microchip的16位dsPIC 33GS數(shù)字信號(hào)控制器系列向前邁進(jìn)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(shí)收集數(shù)據(jù)。因此,dsPIC系統(tǒng)允許開(kāi)發(fā)人員拓展更先進(jìn)的應(yīng)用,包括調(diào)光、熱保護(hù)和顏色控制。

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

“Piccolo微控制器可以通過(guò)遠(yuǎn)程命令將特定的LED燈串設(shè)定在指定等級(jí)的亮度”,德州儀器C2000微控制器營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Charlie Ice表示。 “它可以檢測(cè)電流和確定其亮度等級(jí),并且可以針對(duì)情況進(jìn)行補(bǔ)償。在一個(gè) LED已經(jīng)老化或過(guò)熱的情況,它也可以彌補(bǔ)這一不足。”

沒(méi)有“萬(wàn)能型解決方案”

在幾乎所有LED應(yīng)用中,專(zhuān)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(shí)間開(kāi)啟和關(guān)閉,以達(dá)到省電,而LED不是一定需要智能控制機(jī)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(wú)須推行智能控制。

這也是為什么汽車(chē)制造商已經(jīng)在尾燈、車(chē)內(nèi)照明及車(chē)頭燈中采用LED。在某些情況下,LED可以支持30萬(wàn)英里的行程,其使用壽命超過(guò)了其所在車(chē)輛。因此,汽車(chē)設(shè)計(jì)師們很是積極地在車(chē)輛車(chē)身整合LED模塊,他們知道該模塊可能永遠(yuǎn)也不用更換。這樣,反過(guò)來(lái),使得設(shè)計(jì)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(huì)更加容易。

出于同樣的考慮,設(shè)計(jì)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(kāi)啟和關(guān)閉照明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)機(jī)制”,National Instruments公司的Zarr表示。 “但最簡(jiǎn)單的機(jī)制,是首先用效率更高的東西來(lái)替代燈泡”。

這就是為什么驅(qū)動(dòng)器將一直會(huì)是LED方案的一個(gè)重要組成部分。驅(qū)動(dòng)器讓發(fā)光二極管燈泡保持低溫,并且延長(zhǎng)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(dòng)器解決方案,尤其是在新應(yīng)用不斷增長(zhǎng)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?yàn)闆](méi)有適用所有應(yīng)用場(chǎng)合的萬(wàn)能型解決方案。”

需求不斷增長(zhǎng)

當(dāng)然,并非所有形式的照明都需要驅(qū)動(dòng)器。例如,長(zhǎng)期以來(lái),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(lái)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(shí),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(mén)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(dòng)器提供一個(gè)恒流源給LED。”

要感謝被稱(chēng)之為 Haitz定律的現(xiàn)象,盡管驅(qū)動(dòng)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(gè)封裝所產(chǎn)生的亮度會(huì)增加20倍。對(duì)于LED用戶(hù)而言,Haitz定律意味著需求增加,這反過(guò)來(lái)又意味著開(kāi)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(guó)家半導(dǎo)體公司的Zarr表示。“他們不希望還要費(fèi)神想太多,所以這個(gè)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(dòng)器制造商。”