試論高亮度LED的熱應力保護

輸入LED的電力只有不到20％轉化為光能，其余的80％則變?yōu)闊崃Α＿@實在是照明系統(tǒng)設計人員需要克服的問題。假如照明系統(tǒng)實施欠佳，即使最完善的散熱設計也無法發(fā)揮真正效用。保持安全的LED操作環(huán)境、減少熱對LED壽命造成影響，便落在用于LED驅動IC之上。

審定規(guī)格

只要看看高亮度LED制造商提供的組件產品規(guī)格，便不難確定需要留意的主要設計參數(shù)，并且可以得知在高溫下操作這些組件的負面影響。LED的實際壽命與功率消耗和LED的溫度成反比。制造商可顯示在Tj 80℃溫度下運行約一億小時的平均故障間隔時間 （MTBF）。在實用的系統(tǒng)中，LED的故障不一定會造成大問題，但在散熱不足而Tj又升至120℃或以上的系統(tǒng)中，LED的壽命將大幅縮短。在極端的情況下，LED更會實時出現(xiàn)故障。散熱設計可導入超補償功能，以抗衡最惡劣的實施環(huán)境。但在某些情況下，這是不可能的事情。以筒燈為例，一般安裝在絕緣的天花板夾層空間。這層空間不僅妨礙散熱，還沒有足夠位置安裝額外的散熱設施。

相對亮度也與結點溫度成反比。隨著數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的變異，制造商估計在最大結點溫度下的光輸出會減弱30％。同樣，流明維護效果與結點溫度也成反比。在70℃結點溫度下，一個LED操作超過五萬小時后，一般會損耗30％的光度輸出；溫度更高時損耗會更大。
實際上，無論原因何在，光輸出隨時間減弱不一定會構成大問題。 用戶甚至未必察覺到減弱現(xiàn)象，因為LED的性能表現(xiàn)根本就可以媲美其它照明設備。

結點溫度的控制

綜合上述因素，考慮周詳?shù)脑O計人員最重要的目標，就是LED的散熱，把結點溫度保持在最大額定值以下，避免過早出現(xiàn)故障。用來產生所需LED電流的電子組件，可以導入偵測溫度過高的方法，有效減低LED的驅動電流，保持穩(wěn)定的操作溫度。雖然光線輸出會略為減弱，但LED的「生命力」卻十分旺盛，可以長期運作。

當中的降壓轉換器配備溫度控制功能。該電路設計專門用來驅動LED，驅動電流高至1安培，供應電壓介乎4至6伏特。
　

降壓轉換器操作

在Q1開關起動后，電流便會流過LED和L1，并且提升至一個特定水平，使通過Rsense 的電壓達到U1的臨限。ZXSC300控制器接著會把驅動移除至Q1， 然后斷路。儲存在L1內的能量會產生放電，流過D1和LED。ZXSC300的固定斷路周期為1.7?s，然后Q1會再起動，整個周期又會再重復。這個應用的交換頻率約為150kHz。

加入熱能控制

電路利用一個150k? NTC熱控管進行溫度偵測，該組件所設位置與LED保持高壓熱能接觸。流過熱控管的電流會倍增，再與峰值交換電流相加，加以調節(jié)LED電流。

隨著溫度增加，熱控管的電阻會減少，讓更大電流流過，以提高Isense 電壓，使控制器在更低的LED電流下關掉。熱控管的Rgain 和Rsense 值經(jīng)過設定，使LED的操作溫度保持在安全操作的界限。如控制圖像所顯示，供應電壓的變異只會對溫度控制帶來很小的影響。
　
這個電路利用一個Yuden 150k?熱控管作為溫度感應器。目標控制溫度為 75℃，輸出電流為833mA。Rgain為10?，Rsense為20m?，Vsense為20mV。(表一)顯示了熱控管的溫度特性，以及6V電源對峰值電流的影響。有關結果在(圖二)顯示，主要針對4至6伏范圍內的不同電壓值。

這個例子說明了驅動833mA LED電流所需的組件。電路可以輕易適配，透過改變Rsense值驅動更低電流。只需改變Rgain值，便可選擇不同的溫度斷點。

總結

只需要加入簡單的電子組件，就可以保護貴重的高亮度LED。這種技巧可以在很多不同的控制系統(tǒng)上應用，同時適用于采用任何ZXSC系列LED驅動器IC的降壓和升壓操作模式。這種熱保護設計有助照明系統(tǒng)的設計人員實現(xiàn)更小巧、生產成本更低的解決方案。在某些情況下，甚至可以采用在沒有熱保護的環(huán)境下無法使用的面積。