大功率LED驅(qū)動的溫度補償技術(shù)點評

　與其它的燈源相比，大功率LED會產(chǎn)生嚴重的散熱問題，這主要是因為LED不通過紅外輻射進行散熱。一般而言，用于驅(qū)動LED的功耗有75%～85%最終轉(zhuǎn)換為熱能，過多的熱量會減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色,加速LED老化。因此，熱管理是LED系統(tǒng)設計最重要的一個方面。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導率外殼等來應對這一挑戰(zhàn)。但是，工程師們需要改變他們的理念，熱管理并不是機械設計師的專利，電子工程師同樣可以進行熱管理設計。實踐證明，通過電路實現(xiàn)溫度補償功能進行熱管理是一個既經(jīng)濟又可靠的方法。

　　溫度補償原理

　　一般而言，大功率LED的產(chǎn)品規(guī)格書中都會標明不同環(huán)境溫度（或LED焊點的溫度）下的最高容許輸出電流（如圖1）的曲線圖。當周圍溫度低于安全溫度點，輸出最高容許電流保持不變；當高于安全溫度點，輸出最高容許電流隨周圍溫度升高而降低，即所謂的降額曲線。為確保LED的性能壽命不受影響，必須保證LED工作在降額曲線與橫、縱坐標軸所包絡的安全區(qū)內(nèi)。

圖 1 LED 降額曲線

　　但是，目前大多數(shù)LED燈具生產(chǎn)商都將LED的驅(qū)動電流設計為不隨溫度變化的恒流源，因此，當LED周圍溫度高于安全溫度點時，工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)，這將導致LED的壽命遠低于規(guī)格書的數(shù)值甚至直接損壞。而LED周圍溫度過高是由LED自身發(fā)熱導致，目前有兩個辦法可以解決這個問題。　　

　　一種辦法是使用導熱性更好的散熱裝置，減小LED芯片至環(huán)境的熱阻，控制LED內(nèi)部溫度不至比環(huán)境溫度高太多，但這需要較高的成本。此外，難以避免的問題是，當散熱裝置使用一段時間后在燈體外殼的散熱片上沉積灰塵，以及鋁合金基敷銅板上連接銅層和鋁基板的介質(zhì)層老化脫膠都將導致熱阻較大幅度地上升，導致整體散熱性能下降。另一種辦法是使LED工作在安全區(qū)邊際，這樣既滿足在安全溫度點內(nèi)輸出電流、輸出功率工作在額定狀態(tài)且恒定，而且在高于安全溫度點輸出電流按比例下降進行負補償，保證LED使用壽命，這就是溫度補償的含義。

　　數(shù)字溫度傳感器配合驅(qū)動器實現(xiàn)溫度補償

　　有些照明產(chǎn)品需要一些智能控制，如一些高級路燈的應用，這些系統(tǒng)往往使用單片機對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。這時可利用原有的單片機控制系統(tǒng)加入溫度補償功能，即便在惡劣的環(huán)境下，如夏日曝曬，系統(tǒng)內(nèi)的溫度仍能得到很好地控制?！?/P>

　　圖2為此類系統(tǒng)驅(qū)動單路LED串的示意圖。溫度檢測部分采用了矽恩微電子公司生產(chǎn)的高精度數(shù)字溫度傳感器SN1086，SN1086可以同時檢測芯片本身溫度，相當于間接檢測PCB溫度，又能檢測遠端三級管溫度，若將三極管與LED一同焊接在鋁基板上便可以檢測鋁基板溫度。SN1086將檢測到的兩種溫度通過芯片內(nèi)部的高精度Delta-Sigma ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將溫度的數(shù)字結(jié)果通過I2C總線的SDA數(shù)據(jù)線和SCL時鐘線與單片機通信。當單片機接受到鋁基板溫度結(jié)果后與預設定的安全溫度點閾值進行比對，當溫度過高時啟動溫度補償程序，通過PWM1按比例降低LED驅(qū)動器的輸出電流。單片機同時監(jiān)控PCB板溫度，溫度過高時通過PWM2信號線控制風扇對PCB進行散熱，確保板上的元器件尤其是電解電容的溫度不會過高?！?/P>

　　這種系統(tǒng)控制極大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并保證整體系統(tǒng)的使用壽命，實踐證明系統(tǒng)內(nèi)部溫度得到很好地控制，但硬件成本較高，適于中高端領(lǐng)域的應用。

　　DC-DC降壓LED驅(qū)動器實現(xiàn)溫度補償

　　若能將溫度補償功能集成在芯片內(nèi)部，這將極大降低使用成本和所占空間。SN3352正是為了這個目的而設計出來的芯片，SN3352是降壓型DC-DC恒流芯片，工作電壓范圍6~40V，輸出電流達700mA，溫度補償未啟動時恒流性能優(yōu)良，適用于驅(qū)動串聯(lián)的1W或者3W LED燈。SN3352具備調(diào)光功能，通過改變ADJI引腳的模擬電壓或者對此引腳施加PWM信號都能實現(xiàn)調(diào)光功能。SN3352內(nèi)部集成了矽恩微電子自有專利技術(shù)的溫度補償電路，溫度補償功能需要外接一個普通電阻Rth用于設置溫度補償啟動的溫度點Tth和一個檢測溫度的負溫度系數(shù)熱敏電阻Rntc配合實現(xiàn)。

　SN3352通過RNTC引腳不斷測量與LED焊接在同一塊鋁基板的熱敏電阻Rntc阻值，隨著LED鋁基板溫度上升，當熱敏電阻的阻值低至與連接在RTH引腳上的普通電阻Rth阻值相等時，溫度補償功能啟動，輸出電流將會自動隨溫度升高而降低，由此可見，溫度補償啟動的溫度點Tth可以通過改變Rth阻值進行更改。而電流隨溫度降低的斜率可以通過選擇不同B常數(shù)的熱敏電阻來決定。

　　輸出電流的公式如下：

當Rntc>Rth時，溫度補償未啟動，輸出電流保持不變，大小由設置電流電阻Rs和ADJI引腳電壓決定：

其中：VADJI為調(diào)光引腳ADJI引腳的電壓，單位V，調(diào)光范圍0.3V~1.2V，懸空時電壓為1.2V；

當Rntc

其中：, R25為熱敏電阻在25oC下的阻值，B為熱敏電阻的B常數(shù)，熱敏電阻特性主要由這兩個參數(shù)決定；

根據(jù)輸出補償電流的結(jié)果, 對不同的溫度做一組電流曲線，不難得出,即便把溫度補償啟動的溫度點Tth設置在較高溫度,如100oC以上，電流隨溫度降低的斜率仍然保持較高斜率。這區(qū)別于目前市面上其他的溫度補償方案，這些方案在較低溫度保持較大的補償斜率，而在較高溫度補償斜率大幅下降，這有悖于LED降額曲線在高溫斜率更加大的事實。因此SN3352在高溫仍然保持大的補償斜率可以滿足絕大多數(shù)LED降額曲線的補償斜率，保證LED工作在安全區(qū)內(nèi)。

　　此外，SN3352還具備級聯(lián)功能，每個芯片的ADJO引腳連接下一級芯片的ADJI引腳，將帶有溫度補償信息的電壓由前一級芯片的ADJO引腳輸出到下一級芯片的ADJI引腳。每個ADJO引腳最多可以驅(qū)動5個ADJI引腳。因此，只需要一個熱敏電阻就能讓整個系統(tǒng)共享溫度補償功能，當溫度補償啟動時，接入SN3352系統(tǒng)中所有的LED都會隨溫度上升而下降。

圖4 溫度補償曲線圖 （Rntc的B=3900,R25=100K,Rth=36K）　

　　應用SN3352的溫度補償?shù)臅r候，可以使用矽恩微電子的SN3352應用仿真程序，輸入熱敏電阻的參數(shù)和Tth值后，程序自動計算出Rth選值和生成補償曲線，圖4即為此程序生成。在布線方面，為了不拾取電路噪音，RTH引腳和Rth電阻的連接導線應盡量短，而由于連接RNTC引腳至熱敏電阻Rntc的連線經(jīng)常需要較長的導線至鋁基板，因此緊靠芯片RNTC引腳需要有旁路電容對地濾除雜波，一般而言0.1?F貼片電容即可。

　　另一款具備溫度補償功能的SN3910主要用于高壓領(lǐng)域的降壓型DC-DC恒流芯片，全電壓范圍輸入，外置高壓MOS管，輸出電流達700mA,芯片工作在恒定關(guān)斷時間模式，具有優(yōu)良的線電壓調(diào)整率。這款芯片主要用于日光燈方案和其他市電直接接入的方案。矽恩微電子將根據(jù)不同客戶的應用方案和溫度補償要求提供與之配套的應用電路、BOM表和布板建議，縮短產(chǎn)品上市時間。

　　線性恒流LED驅(qū)動器實現(xiàn)溫度補償

　　另一款具備溫度補償功能的LED線性恒流源驅(qū)動器是SN3118，其輸出電流可由外接電阻編程，適合20mA~200mA的低電流LED應用。SN3118工作電壓6V~30V，四個支路電流之間匹配度±5%以內(nèi)，每路最大電流能力達175mA，工作時無EMI問題。電路中同樣使用一個普通電阻和負溫度系數(shù)的熱敏電阻實現(xiàn)溫度補償，當熱敏電阻阻值下降至普通電阻阻值時，溫度補償啟動。

　　本文小結(jié)

　　溫度補償功能以其低成本、高可靠性兼顧了LED壽命和輸出功率，不會因為環(huán)境惡劣或是散熱裝置異常、老化而使得LED性能和壽命受到影響。矽恩微電子的LED驅(qū)動IC產(chǎn)品覆蓋各種應用領(lǐng)域，擁有先進的溫度補償技術(shù)，可為客戶量身定做方案。

圖5 SN3910驅(qū)動LED典型應用圖

圖6 SN3118驅(qū)動LED典型應用圖