燈具散熱問題及可調(diào)整式熱保護(hù)技術(shù)深入解讀

　　伴隨 LED 照明市場(chǎng)高速發(fā)展，LED 照明應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)品愈趨于輕薄短小，而且功率需求卻更為強(qiáng)大，其中，關(guān)于散熱效能要求日益嚴(yán)苛。另外，LED 電源模塊的失效率亦隨著燈具材料散熱效能有限而提高，因此，在 LED 照明控制 IC 相關(guān)熱保護(hù)感測(cè)技術(shù)，近來成為各 LED 燈具設(shè)計(jì)應(yīng)用之熱點(diǎn)。

　　LED 燈具散熱問題

　　一般傳統(tǒng)的 LED 燈具以采用鋁散熱材料作為燈殼，雖有良好的散熱效果，但加工復(fù)雜、成本高、材質(zhì)重等缺點(diǎn)。LED 照明燈具散熱原理上，需藉由物質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo)熱能的載體導(dǎo)熱機(jī)理。

　　其中，金屬導(dǎo)熱佳主要是因?yàn)榻饘倬哂凶杂呻娮右蚨芸焖賯鬟f熱能；而塑料因無(wú)自由電子，分子振動(dòng)困難，其熱傳導(dǎo)主要是材料本身晶格震動(dòng)的結(jié)果，而聲子為主要熱能載荷者。

　　相對(duì)的，塑料燈殼在設(shè)計(jì)、性能和成本方面的其他優(yōu)點(diǎn)，如重量輕（比鋁材輕20~40%）、兼具易成形、低成本，而且最為重要的特色是因塑料不導(dǎo)電，具備良好的電氣絕緣能力，故非隔離型 LED 照明驅(qū)動(dòng)器采用塑料外殼已是大勢(shì)所趨。

　　不過，一般塑料其導(dǎo)熱效能相當(dāng)差，樹脂種類材料也直接影響導(dǎo)熱好壞，一般塑料導(dǎo)熱系數(shù) k 值一般只有 0.2W/（m*K），約為金屬鋁之 1/1000。無(wú)法有效散熱及影響 LED 燈具可靠度。

　　LED 燈具可靠度

　　可靠度的概念，最早始于二次大戰(zhàn)，德國(guó)在研制 V-1 火箭時(shí)，對(duì)于每個(gè)組件的失效率直接影響整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)研究。在LED燈具的電源模塊中觀念相同，其中環(huán)境溫度的變因更會(huì)導(dǎo)致降低LED燈具的可靠度，LED 與驅(qū)動(dòng)電路中所使用的電解電容器于可靠度評(píng)估中影響最大。

　　其中圖1 為高亮度白光 LED 的 Tj 溫度與使用命關(guān)系圖，從圖中可知 Tj 溫度愈低則使用壽命愈長(zhǎng)，另外，圖2 電解電容器器溫度與使用壽命關(guān)系圖，電源模塊中電解電容器使用壽命，也同樣與環(huán)境溫度成反比。

　　電解電容器毀壞甚至?xí)?dǎo)致燈具無(wú)法使用，故若燈具能隨著感測(cè)環(huán)境溫度有效的調(diào)整自體溫度也就能延長(zhǎng) LED 燈具的使用壽命。因此，如何調(diào)整溫度為 LED 照明應(yīng)用中重要之課題。

　　溫度感測(cè)

　　感測(cè)溫度的實(shí)際應(yīng)用中，熱敏電阻器是最為常見且容易取得的溫度傳感器，其中 LED 燈具電源模塊中加入熱敏電阻器作為感測(cè)溫度應(yīng)用具備有效且低成本的解決方案。

　　熱敏電阻器是由金屬氧化物混合后高溫?zé)Y(jié)而成。所形成的組件擁有隨溫度而改變電阻值的特性。

　　其中常見的一大類屬于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（negative temp coefficient thermistor），簡(jiǎn)稱 NTC Thermistor。其電阻值會(huì)隨著溫度上升而下降。

　　使用熱敏電阻器用來作溫度感測(cè)的三大優(yōu)點(diǎn)：

　　1.其具備極高的靈敏度。若采用高阻值的熱敏電阻器，靈敏度可高達(dá) 10kΩ/ °C。

　　2.其相對(duì)的高阻值。其在 25° C 時(shí)的阻值，可以橫跨數(shù)百至數(shù) MΩ 的選擇性。其所擁有的高阻值，降低了由導(dǎo)線阻抗所帶來的誤差。

　　3.熱敏電阻器提供多樣性的組件包裝，其中貼片式的極小外形包裝，甚至尺寸可縮小到 0201 包裝，如圖3 所示。在電路設(shè)計(jì)中可輕易 Layout 于需感測(cè)熱源的組件周遭。

　　不過在實(shí)務(wù)應(yīng)用上，使用熱敏電阻器用來作溫度感測(cè)，還是有其限制：

　　1.熱敏電阻器為被動(dòng)電阻器，使用上需由電流流過驅(qū)動(dòng)，故有電流流過即有功率損耗所散發(fā)的熱能，使用上熱敏電阻器需串聯(lián)大阻值的電阻器限流，以避免熱敏電阻器過度自熱，反應(yīng)自體功耗溫度，而非感測(cè)待測(cè)物的溫度。

　　2.熱敏電阻器雖擁有較高的阻值與靈敏度，但其溫度特性是非線性的，其中圖4為興勤電子 TSMSeries 的熱敏電阻阻值對(duì)溫度的關(guān)系圖。

　　如圖所示，在需感測(cè)的溫度范圍內(nèi)電阻阻值對(duì)溫度變化劇烈，需并聯(lián)多顆熱敏電阻器或是電阻器以修飾溫度斜率變化曲線，研發(fā)過程中，拉長(zhǎng)開發(fā)時(shí)效，增加成本。

　　可調(diào)整過熱保護(hù)功能

　　提供熱保護(hù)的 LED 驅(qū)動(dòng) IC，搭配熱敏電阻器應(yīng)用需具備可解決熱敏電阻器自熱問題等限制，另外，熱保護(hù)功能的可調(diào)整性最為重要，其中包含可任意調(diào)整開啟及關(guān)閉熱保護(hù)功能的輸出電流調(diào)節(jié)起始點(diǎn) （TFB）及輸出電流截止點(diǎn) （TCut-off） 以供電路設(shè)計(jì)，圖 5 為可調(diào)整過熱保護(hù)設(shè)計(jì)示意圖。電路開發(fā)階段可以任意調(diào)整過熱保護(hù)功能。

　　另外，因環(huán)境溫度上升，LED 電流下降斜率調(diào)整以達(dá)到調(diào)節(jié)燈具溫度之效能。其 LED 的亮度會(huì)隨輸出電流下降而減少，下降的斜率需符合 gamma 曲線中的人眼對(duì)低亮度變化的感覺比高亮度變化的感覺敏銳特性，如圖 6 所示。

　　熱保護(hù)功能需調(diào)整，使高亮度時(shí)采用斜率緩慢下降，讓使用者在不知不覺中，達(dá)成LED 燈溫度調(diào)節(jié)，以延長(zhǎng)使用壽命。

　　可調(diào)整熱保護(hù)功能 vs. 傳統(tǒng)熱保護(hù)功能曲線有可調(diào)整熱保護(hù)功能的 LED 驅(qū)動(dòng) IC 與傳統(tǒng)熱保護(hù)功能，輸出電流與溫度關(guān)系圖如圖 7 所示。量測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯的可察覺，可調(diào)整熱保護(hù)功能的 LED 驅(qū)動(dòng) IC 更可以符合用戶需求。

　　結(jié)論

　　可調(diào)整式熱保護(hù)功能 LED 驅(qū)動(dòng) IC 可有效的延長(zhǎng)燈具使用壽命及提升可靠度，在功率越做越大的 LED 照明市場(chǎng)，為使用者增加一個(gè)絕佳的選擇。
本文作者：聚積科技應(yīng)用工程部 王曜邦