隨著大功率 LED 技術(shù)的成熟，工程師收集的數(shù)據(jù)定量地證實(shí)了過(guò)熱如何縮短固態(tài)照明 （SSL） 的壽命。例如，在 120°C 的結(jié)溫下工作持續(xù) 60，000 小時(shí)的 LED 在 150°C 的工作溫度下難以發(fā)光超過(guò) 10，000 小時(shí)。因此，熱管理很快成為 SSL 設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵部分。

　　設(shè)計(jì)人員通常使用被動(dòng)技術(shù)來(lái)散熱。在正常運(yùn)行期間，此類方法運(yùn)行良好，但當(dāng) SSL 暴露于異常溫暖的溫度時(shí)，可能難以散發(fā)所有熱量。

　　最近，LED 電源（LED 驅(qū)動(dòng)器）制造商為其設(shè)備添加了限流功能，允許工程師確定 LED 結(jié)溫并在溫度過(guò)高時(shí)調(diào)低燈芯。過(guò)溫保護(hù)可延長(zhǎng) LED 壽命并最大限度地減少災(zāi)難性故障。主動(dòng)保護(hù)方法還鼓勵(lì)使用更小的散熱器——節(jié)省成本和空間——并對(duì)特定產(chǎn)品的最高工作溫度提供更大程度的控制。本文將介紹這些較新的熱管理技術(shù)是如何工作的。

　　殺手開爾文

　　熱量是使 LED 發(fā)光的電致發(fā)光過(guò)程的副產(chǎn)品。半導(dǎo)體中空穴和電子的復(fù)合導(dǎo)致一些光子離開 LED 并有助于整體照明，但其他光子在芯片中被重新吸收，從而產(chǎn)生熱量。器件運(yùn)行時(shí) LED 晶格的微小振動(dòng)也會(huì)使溫度升高。盡管與傳統(tǒng)光源相比，LED 的效率更高，但應(yīng)用到設(shè)備上的大約 70% 到 80% 的電能仍然轉(zhuǎn)化為熱能而不是光能。

　　因?yàn)長(zhǎng)ED結(jié)小，能量密度高，溫度上升快。現(xiàn)代芯片的結(jié)溫 （T J ） 升至 140°C 及以上的情況并不少見。在高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致色度漂移并縮短壽命。（請(qǐng)參閱 TechZone 文章“白光 LED 色度的熱效應(yīng)”和“了解高亮度 LED 褪色的原因。”）

　　Cree、Lumileds、歐司朗和首爾半導(dǎo)體等 LED 制造商提供了有關(guān)溫度對(duì)壽命影響的有用信息，這些信息來(lái)自多年的可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。例如，圖 1 顯示了 Lumileds LUXEON C白光 LED 在結(jié)溫升高時(shí)的估計(jì)壽命。左軸代表相對(duì)光度。LED 制造商認(rèn)為，當(dāng) LED 的亮度低于新時(shí)輸出的 70% （L70） 時(shí)，LED 已“失效”。LUXEON C 是一款 118 lm、120 lm/W（在 350 mA、2.75 V 時(shí)）的 LED，從圖中可以看出，僅 20°C 的差異就可以將 LED 的壽命縮短約 60，000 小時(shí)（從T J的 L70 為 80，000 小時(shí)= 115°C 至 20，000 小時(shí)，T J = 135°C）。1

　　圖 1：結(jié)溫對(duì) LUXEON C LED 發(fā)光度的影響。（LED 壽命是在亮度下降到新時(shí)的 70% 時(shí)測(cè)量的。）

　　考慮到使用 LED 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)熱管理的重要性，設(shè)計(jì)界有大量關(guān)于該主題的設(shè)計(jì)信息也就不足為奇了。Digi-Key 文章庫(kù)中有關(guān) LED 熱管理的項(xiàng)目包括“了解 LED 內(nèi)部熱阻”、“基于 LED 的燈具的熱考慮因素”和“ LED 熱管理基礎(chǔ)知識(shí)”。此外， Digi-Key 網(wǎng)站上有許多LED 散熱產(chǎn)品。

　　被動(dòng)熱管理技術(shù)在鞏固 LED 照明進(jìn)入主流照明領(lǐng)域方面發(fā)揮了重要作用。設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)指定低熱阻 LED 和基板，并輔以散熱片，以從器件結(jié)處散熱。然而，雖然這種技術(shù)的效果令人滿意，但它確實(shí)有許多缺點(diǎn)，包括增加照明設(shè)備的尺寸和增加成本。散熱器可以占 SSL 夾具成本的三分之一。此外，作為一種被動(dòng)方法，機(jī)械熱管理無(wú)法補(bǔ)償環(huán)境溫度的大幅波動(dòng)，例如室外 SSL 可能受到的影響。

　　主動(dòng)熱管理

　　最近，設(shè)計(jì)人員專注于用有源技術(shù)補(bǔ)充無(wú)源熱管理，以應(yīng)對(duì)“極端”情況，否則 LED 壽命會(huì)顯著縮短，或者設(shè)備甚至可能發(fā)生災(zāi)難性故障。保護(hù) LED 最簡(jiǎn)單的方法是選擇具有過(guò)溫保護(hù)功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器。

　　許多現(xiàn)代 LED 驅(qū)動(dòng)器都包含過(guò)熱保護(hù)。例如，Analog Devices 最近推出的ADP8140 就擁有這樣的功能。ADP8140 是一款線性穩(wěn)壓器，工作電壓為 3 至 30 V，提供高達(dá) 500 mA 的恒定電流。如果 LED 驅(qū)動(dòng)器的芯片溫度超過(guò) 150°C，ADP8140 將關(guān)斷功率級(jí)。當(dāng)溫度降至 130°C 以下時(shí)，ADP8140 重新啟動(dòng)電源。如果故障或高功率耗散仍然存在，則重復(fù)該序列。（請(qǐng)注意，ADP8140 還可與外部熱傳感器一起使用以增強(qiáng)熱保護(hù)。）

　　過(guò)溫保護(hù)依賴于測(cè)量 LED 驅(qū)動(dòng)器的溫度而不是 LED 結(jié)本身的溫度，其缺點(diǎn)是缺乏精度。即使設(shè)備非常接近，LED 驅(qū)動(dòng)器也可能比 LED 溫度高幾度，這可能會(huì)在并非絕對(duì)必要時(shí)觸發(fā)關(guān)機(jī)。更糟糕的是，情況可能正好相反，導(dǎo)致 LED 在 LED 驅(qū)動(dòng)器斷電之前損壞。第二個(gè)缺點(diǎn)是許多 LED 驅(qū)動(dòng)器的過(guò)熱保護(hù)包括在達(dá)到閾值溫度時(shí)完全切斷電源。這幾乎不方便，尤其是當(dāng)燈光照亮公共空間時(shí)。因此，工程師傾向于將關(guān)斷功能設(shè)置為在非常高的溫度下發(fā)生。

　　此外，許多 LED 驅(qū)動(dòng)器會(huì)在系統(tǒng)冷卻后自動(dòng)重啟。如果過(guò)熱是由故障或環(huán)境溫度異常高等極端情況引起的，則系統(tǒng)很可能會(huì)再次快速關(guān)閉，從而導(dǎo)致令人不安的閃爍效應(yīng)。

　　與在達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)簡(jiǎn)單地關(guān)閉 LED 驅(qū)動(dòng)器相比，一種更巧妙的技術(shù)是采用反饋回路，該反饋回路包括一個(gè)位于非常靠近 LED 結(jié)點(diǎn)的熱傳感器。通過(guò)在照明電路中添加負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻（通常具有小封裝尺寸并具有良好的性價(jià)比），可以逐漸降低驅(qū)動(dòng) LED 的電流，從而降低功耗以限制結(jié)溫。

　　盡管降低電流會(huì)降低亮度，但設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置最小電流，以使 NTC 傳感器啟動(dòng)時(shí)的亮度變化低于消費(fèi)者可以檢測(cè)到的閾值。幸運(yùn)的是，人眼在檢測(cè)高亮度設(shè)備中的光度變化方面很差，因此在控制溫度和顯著降低光度之間的平衡方面具有合理的靈活性。無(wú)論如何，調(diào)暗而不是關(guān)閉要方便得多。

　　LED 驅(qū)動(dòng)器制造商通過(guò)在其芯片中添加一個(gè)專用引腳來(lái)接受電阻器的輸入，從而使將 NTC 電阻器集成到固定電子設(shè)備中變得更加簡(jiǎn)單。NTC 熱敏電阻被稱為熱折返電路，盡可能靠近 LED 的結(jié)點(diǎn)放置，以提高溫度測(cè)量的精度。隨著溫度升高（高于設(shè)計(jì)人員確定的設(shè)定值），熱敏電阻的電阻降低，從而觸發(fā)驅(qū)動(dòng) LED 的輸出電流相應(yīng)降低。LED 驅(qū)動(dòng)器制造商使用脈寬調(diào)制 （PWM） 或模擬調(diào)光來(lái)降低輸出電流。（請(qǐng)參閱 TechZone 文章“熱折返如何提高 LED 照明燈具的可靠性。”）

　　LED 驅(qū)動(dòng)器通常將連接到熱傳感器的電流降低電路集成到其產(chǎn)品中。例如， ON Semiconductor 的 CAT4101是一款具有熱折返功能的 1 A 恒流線性 LED 驅(qū)動(dòng)器。LED 驅(qū)動(dòng)器在 3 至 5.5 V 輸入范圍內(nèi)工作，并提供高達(dá) 1 A 的 25 V 輸出。一旦 LED 結(jié)溫超過(guò) 150°C，就會(huì)通過(guò)改變 PWM 占空比來(lái)降低電流。圖 2 顯示了 LED 驅(qū)動(dòng)電流（紅色）如何隨 NTC 熱敏電阻的電阻特性（藍(lán)色）變化。2

　　圖 2：ON Semiconductor 的 CAT4101 LED 驅(qū)動(dòng)器的熱折返特性。

　　除其他外，德州儀器（TI） 還提供一系列具有熱折返功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器。例如，LM3424是降壓/升壓（“降壓/升壓”）LED 驅(qū)動(dòng)器。該器件能夠在 4.5 至 75 V 輸入下工作，同時(shí)提供高達(dá) 5 A 的恒定電流。熱折返功能允許工程師對(duì)斷點(diǎn)（電流降低開始的溫度）和電流降低梯度進(jìn)行編程坡。

　　改善 LED 熱保護(hù)

　　雖然基于溫度傳感器的熱管理技術(shù)工作得相當(dāng)好，但也有一些缺點(diǎn)。首先，添加 NTC 熱敏電阻會(huì)增加復(fù)雜性；準(zhǔn)確度、響應(yīng)和梯度取決于設(shè)備的安裝方式。其次，除非指定高端（因此價(jià)格昂貴）器件，否則溫度/電阻斜率不是線性的，這使得電流的精確控制更加困難。第三，僅靠電流降低有時(shí)不足以將結(jié)溫限制在安全區(qū)域，從而迫使工程師使用傳統(tǒng)的過(guò)熱保護(hù)來(lái)支持保護(hù)。

　　由于基于 NTC 熱敏電阻的熱折返技術(shù)的缺點(diǎn)，一些 LED 驅(qū)動(dòng)器制造商已將熱保護(hù)更進(jìn)一步。英飛凌科技 實(shí)施了一項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的技術(shù)，即 LED 驅(qū)動(dòng)器本身成為溫度傳感元件，完全省去了 NTC 熱敏電阻。該公司已在其ILD6070 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 中實(shí)施了該技術(shù)。ILD6070 是一款降壓轉(zhuǎn)換器，能夠在 4.5 至 60 V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)提供高達(dá) 700 mA 的電流。它采用熱優(yōu)化 SOIC-8 封裝。

　　LED 驅(qū)動(dòng)器與 LED 緊密熱耦合并用作溫度參考。如果 LED 的溫度超過(guò)預(yù)定的最大溫度，則根據(jù)預(yù)編程的斜率調(diào)光特性降低電流。該公司聲稱，這種連續(xù)的調(diào)整范圍使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，以確保光源在壓力條件下持續(xù)運(yùn)行——盡管光輸出有所降低。

　　如果熱平衡因額外的熱負(fù)載而被破壞，則電流會(huì)繼續(xù)逐漸減小，直到達(dá)到目標(biāo) LED 平均電流的至少 25%，并且光源將繼續(xù)提供具有 25% 目標(biāo)光亮度的光輸出輸出。這種保護(hù)允許工程師設(shè)計(jì)具有較低安全裕度的被動(dòng)熱管理，確保在溫度升高到異常水平時(shí)主動(dòng)熱保護(hù)將接管。

　　ILD6070 的溫度基準(zhǔn)根據(jù)斜率調(diào)光特性確定驅(qū)動(dòng)電壓 （V DRIVE ）（圖 3）。驅(qū)動(dòng)電壓又決定了與 LED的發(fā)光度成比例的 LED 驅(qū)動(dòng)電流 （i L ）。通過(guò)將 V DRIVE信號(hào)與內(nèi)部生成的鋸齒信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光，該鋸齒信號(hào)又生成 PWM 脈沖序列。（因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器與 LED 的熱耦合并非總是可行的，因此 ILD6070 可用于傳統(tǒng)配置中的 NTC 熱敏電阻，同時(shí)仍可利用斜率調(diào)光特性。）［3］

　　圖 3：Infineon Technologies 的 ILD6070 測(cè)量 LED 溫度并根據(jù)與溫度相關(guān)的斜率調(diào)光特性設(shè)置驅(qū)動(dòng)電壓。

　　設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)在 ILD6070 的 T adj和 GND 引腳之間使用外部電阻器來(lái)設(shè)置 LED 結(jié)閾值溫度（即開始限流的點(diǎn)） 。這樣做的好處是允許設(shè)計(jì)人員在高結(jié)溫的不利影響與系統(tǒng)成本和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。通過(guò)將閾值溫度設(shè)置得相對(duì)較低，LED 將持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，但系統(tǒng)將需要更大的散熱器以確保熱量快速消散，從而使燈具在正常工作條件下不會(huì)反復(fù)進(jìn)入限流范圍。圖 4 顯示了各種電阻值對(duì) ILD6070 的電流輸出占空比（以及由此產(chǎn)生的輸出電流）的影響。

　　圖 4：ILD6070 限流操作的觸發(fā)點(diǎn)可以通過(guò)選擇不同的電阻值來(lái)改變。

　　過(guò)溫安全網(wǎng)

　　被動(dòng)熱管理將繼續(xù)在 SSL 設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保 LED 產(chǎn)生的熱量通過(guò)燈具散發(fā)，方法是采用低熱阻 LED 和基板，以及在所有預(yù)期工作條件下有足夠能力將熱量散發(fā)到環(huán)境的散熱器。

　　當(dāng)組件故障或環(huán)境溫度過(guò)高等不可預(yù)見的事件發(fā)生時(shí)，主動(dòng)溫度控制就會(huì)發(fā)揮作用。這種情況會(huì)對(duì) LED 產(chǎn)生熱應(yīng)力并顯著縮短其壽命。在最壞的情況下，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障。使用溫度傳感器反饋回路可在 LED 溫度過(guò)高時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電流，從而消除熱應(yīng)力并防止故障。這樣的“安全網(wǎng)”允許設(shè)計(jì)人員指定具有較低安全系數(shù)的較小散熱器——節(jié)省成本和空間——確保主動(dòng)溫度控制將滿足過(guò)熱條件。

　　有源溫度控制隨著最新的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案不斷發(fā)展，通過(guò)消除外部溫度傳感器并允許設(shè)計(jì)人員選擇開始限流的溫度，提供簡(jiǎn)化和靈活的設(shè)計(jì)解決方案。

　　參考：

1. “了解功率 LED 壽命分析”，Philips Lumileds 技術(shù)白皮書。
2. “ CAT4101 的熱折返，LED 照明，”安森美半導(dǎo)體應(yīng)用筆記，AND9053/D。
3. “ LED 照明應(yīng)用的智能過(guò)溫保護(hù)”，Hakan Yilmazer 和 Bernd Pflaum，英飛凌科技白皮書，2013 年 10 月。