LED驅(qū)動器的主動式熱能管理介紹

　　LED光源為照明產(chǎn)業(yè)的大勢所趨，惟整體發(fā)光效率仍未達(dá)市場要求，其中，散熱缺陷為首要解決的棘手課題，目前產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出利用LED驅(qū)動器的主動式熱能管理，其藉由內(nèi)建熱能回折功能，以改善LED在使用年限與散熱的發(fā)展窒礙。

　　在2007年，美國能源部能源情報署(EIA)發(fā)表一篇報告，在該篇報告中特別提到美國(在商業(yè)區(qū)與住宅)的照明設(shè)備總共約消耗5,260億千瓦小時的電能。若參考2008年EIA的報告，可發(fā)現(xiàn)美國一座核能發(fā)電廠能產(chǎn)生124億千瓦小時的電能。因此，透過簡單的計算可知，美國光在照明設(shè)備的使用即須耗掉四十二座核能發(fā)電廠的電能。隨著人口數(shù)量的逐漸成長，照明工業(yè)必須尋找新型態(tài)的照明光源，以提高照明效率與降低能量消耗。

　　在照明工業(yè)上，發(fā)光二極管(LED)一直以來都被寄予厚望能取代傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈及各種氣體放電光源的照明設(shè)備，主因系LED能降低功耗，并讓土壤不受到有害化學(xué)物質(zhì)危害。然即使LED的發(fā)光效率早已超越如氙氣燈(HID)的高效率光源，但在內(nèi)部電路組成與整體亮度表現(xiàn)仍不盡理想。

　　LED的發(fā)光效率受限于光產(chǎn)生方式，與其采用的材料制造方式無關(guān)。LED內(nèi)部發(fā)光的方式通常以非輻射方式產(chǎn)生，因此大多數(shù)的光會被重新吸收并產(chǎn)生熱源。以磷光體為主的白光LED，會因為史托克位移效應(yīng)(Stokes Shift)所產(chǎn)生的熱源而造成LED發(fā)光效率降低。不過有幾種創(chuàng)新的解決方案能改善輻射復(fù)合率與光子吸收的問題，以增加LED的亮度與發(fā)光效率。

　　透過植入光子晶體提高亮度

　　Luminus Devices率先提出一種解決方案，藉由植入光子晶體，以便為局限(Trapped)在基板中的光子提供波導(dǎo)管。光子晶體是自然生成的物質(zhì)，在蛋白石這類型的材料中便可看到光子晶體的存在，其緊密的結(jié)構(gòu)特性，可提供光線放射的路徑，能產(chǎn)生更高密度的光場強度，藉此特性與其他如量子井、光共振腔等特點，能使LED亮度超乎想象增加。對于需要高亮度的應(yīng)用，如投影機、液晶顯示器(LCD)背光板光源及其他特殊的應(yīng)用而言，這些特殊的組件皆已相當(dāng)普及，未來希望能應(yīng)用在一般照明設(shè)備。

　　每種照明設(shè)備均存在光源使用壽命問題，經(jīng)常遭遇的狀況有類似白熾燈泡的鎢絲突然燒斷，或因長時間使用而使得光源材料因逐漸老化以致變暗而故障，LED亦因組件的接面溫度而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。所有的照明設(shè)備在提供穩(wěn)定亮度條件下，于一定使用年限后，亮度勢必會逐漸低于有效亮度之下。在不同的照明應(yīng)用裝置中，皆有使用壽命時間限制。舉例來說，當(dāng)使用在路燈裝置的亮度已衰減至原先50%時，即代表使用年限，但使用在醫(yī)生內(nèi)視鏡的光源裝置可能亮度尚未衰減那么多。

　　藉熱能管理/LED驅(qū)動IC管理亮度損耗

　　LED使用壽命的終點代表其照明亮度已低于可用的水平以下，而LED使用壽命的長短與溫度的關(guān)聯(lián)性非常高(圖1)。若以圖1中的曲線為設(shè)計參考，要設(shè)計出一款通用型的照明設(shè)備，且使用壽命至少50,000小時后還能有最初50%的亮度，則接面溫度必須控制在100℃之下。在不使用主動冷卻的前提下，將是極為艱巨的任務(wù)。另外，由于LED無法使用輻射散熱的問題，此將使得散熱弊病更雪上加霜。傳統(tǒng)白熾燈泡可經(jīng)由輻射方式分散出大量的紅外線熱能，而LED則須考慮如何解決散熱問題。此外，在使用過程中，若接面溫度瞬間超過制造商所限制的溫度范圍，就會對發(fā)光組件的壽命造成劇烈的永久傷害。

圖1 LED照明的溫度效應(yīng)

　　若LED須進行降級才能處理嚴(yán)峻的接面溫度，則當(dāng)在設(shè)計照明系統(tǒng)或核心組件時，就必須認(rèn)真思考兩件重要事項，分別為熱能管理與對LED驅(qū)動器的了解。不僅僅在通用性的照明應(yīng)用中須考慮到此兩個因素，在其他應(yīng)用中也須要被考慮。最簡易的解決方案就是采用被動熱能管理方式，經(jīng)由散熱片搭配足夠的氣流能帶走廢熱氣。Nuventix研發(fā)一種主動式冷卻裝置，此裝置并沒有采用任何的風(fēng)扇組件，而是利用高速的空氣噴射器產(chǎn)生氣流，其作業(yè)原理就像是一名單車騎士單手抓著大卡車的后面，藉由卡車快速前進而快速馳騁，Nuventix所設(shè)計的冷卻器就是利用類似的原理，提供高效率的冷卻方式。此技術(shù)已被應(yīng)用在MR16、PAR20、PAR25等標(biāo)準(zhǔn)照明設(shè)備中。

　　解決方案中，另一個重要的課題就是利用LED驅(qū)動器的主動式熱能管理方式。傳統(tǒng)上，LED驅(qū)動器有固定的電流源，主要用來監(jiān)視并控制流入一組或多組LED的電流量。通常來說，此足以驅(qū)動LED，并能在改變輸入電壓過程中保持相同的亮度大小。然隨著亮度與架構(gòu)的改良，LED已能提供更高的亮度光源，且逐漸進化成具備熱能控制需求的完整光源引擎核心組件。

　　為防止組件遭受破壞或讓使用壽命縮短，必須進行熱能管理，且已有多種方法可以解決此問題。圖2為兩種不同的回折曲線，可在溫度上升時限制LED的電流流量。當(dāng)接面溫度保持在默認(rèn)溫度范圍內(nèi)時，就經(jīng)由主要的控制回路作為電流調(diào)節(jié)；但當(dāng)接面溫度超過默認(rèn)范圍時，就會使用另一組控制回路限制電流大小。其中接面溫度的回折點與驅(qū)動電流的衰減率，均可依照不同的應(yīng)用和LED制造商的建議改變。

圖2 熱能回折曲線的實例

　　美國國家半導(dǎo)體(NS)所推出的LED驅(qū)動器LM3424，已內(nèi)建熱能回折功能，設(shè)計者能(藉由調(diào)整曲線斜率)選擇所需的設(shè)定點與系統(tǒng)增益值。此使得LED在一般照明與其他的特殊應(yīng)用裝置(如緊急告示板)中，更能掌握LED因使用年限或受到高溫破壞的現(xiàn)象。

　　熱能管理提升可靠度　大幅延長LED使用壽命

　　雖然LED技術(shù)不斷演進，卻也衍生出許多新的問題。隨著LED發(fā)光強度與效率持續(xù)改善，更多的照明　應(yīng)用設(shè)備將會逐漸從傳統(tǒng)的發(fā)光源轉(zhuǎn)移至新型態(tài)的LED發(fā)光源，并產(chǎn)生更多的新應(yīng)用。當(dāng)引入新的冷卻解決方案與驅(qū)動技術(shù)后，熱能管理將變得更加容易，并能延長LED使用壽命，使得LED具有不須替換的潛力，此在目前使用的白熾燈泡中為難以實現(xiàn)的目標(biāo)。