浅谈SSL设计中热管理的LED 驱动器解决方案

　　随着大功率 LED 技术的成熟，工程师收集的数据定量地证实了过热如何缩短固态照明 （SSL） 的寿命。例如，在 120°C 的结温下工作持续 60，000 小时的 LED 在 150°C 的工作温度下难以发光超过 10，000 小时。因此，热管理很快成为 SSL 设计过程的关键部分。

　　设计人员通常使用被动技术来散热。在正常运行期间，此类方法运行良好，但当 SSL 暴露于异常温暖的温度时，可能难以散发所有热量。

　　最近，LED 电源（LED 驱动器）制造商为其设备添加了限流功能，允许工程师确定 LED 结温并在温度过高时调低灯芯。过温保护可延长 LED 寿命并最大限度地减少灾难性故障。主动保护方法还鼓励使用更小的散热器——节省成本和空间——并对特定产品的最高工作温度提供更大程度的控制。本文将介绍这些较新的热管理技术是如何工作的。

　　杀手开尔文

　　热量是使 LED 发光的电致发光过程的副产品。半导体中空穴和电子的复合导致一些光子离开 LED 并有助于整体照明，但其他光子在芯片中被重新吸收，从而产生热量。器件运行时 LED 晶格的微小振动也会使温度升高。尽管与传统光源相比，LED 的效率更高，但应用到设备上的大约 70% 到 80% 的电能仍然转化为热能而不是光能。

　　因为LED结小，能量密度高，温度上升快。现代芯片的结温 （T J ） 升至 140°C 及以上的情况并不少见。在高温下长时间运行是不可取的，因为它会导致色度漂移并缩短寿命。（请参阅 TechZone 文章“白光 LED 色度的热效应”和“了解高亮度 LED 褪色的原因。”）

　　Cree、Lumileds、欧司朗和首尔半导体等 LED 制造商提供了有关温度对寿命影响的有用信息，这些信息来自多年的可靠性测试数据。例如，图 1 显示了 Lumileds LUXEON C白光 LED 在结温升高时的估计寿命。左轴代表相对光度。LED 制造商认为，当 LED 的亮度低于新时输出的 70% （L70） 时，LED 已“失效”。LUXEON C 是一款 118 lm、120 lm/W（在 350 mA、2.75 V 时）的 LED，从图中可以看出，仅 20°C 的差异就可以将 LED 的寿命缩短约 60，000 小时（从T J的 L70 为 80，000 小时= 115°C 至 20，000 小时，T J = 135°C）。1

　　图 1：结温对 LUXEON C LED 发光度的影响。（LED 寿命是在亮度下降到新时的 70% 时测量的。）

　　考虑到使用 LED 进行设计时热管理的重要性，设计界有大量关于该主题的设计信息也就不足为奇了。Digi-Key 文章库中有关 LED 热管理的项目包括“了解 LED 内部热阻”、“基于 LED 的灯具的热考虑因素”和“ LED 热管理基础知识”。此外， Digi-Key 网站上有许多LED 散热产品。

　　被动热管理技术在巩固 LED 照明进入主流照明领域方面发挥了重要作用。设计工程师通常会指定低热阻 LED 和基板，并辅以散热片，以从器件结处散热。然而，虽然这种技术的效果令人满意，但它确实有许多缺点，包括增加照明设备的尺寸和增加成本。散热器可以占 SSL 夹具成本的三分之一。此外，作为一种被动方法，机械热管理无法补偿环境温度的大幅波动，例如室外 SSL 可能受到的影响。

　　主动热管理

　　最近，设计人员专注于用有源技术补充无源热管理，以应对“极端”情况，否则 LED 寿命会显着缩短，或者设备甚至可能发生灾难性故障。保护 LED 最简单的方法是选择具有过温保护功能的 LED 驱动器。

　　许多现代 LED 驱动器都包含过热保护。例如，Analog Devices 最近推出的ADP8140 就拥有这样的功能。ADP8140 是一款线性稳压器，工作电压为 3 至 30 V，提供高达 500 mA 的恒定电流。如果 LED 驱动器的芯片温度超过 150°C，ADP8140 将关断功率级。当温度降至 130°C 以下时，ADP8140 重新启动电源。如果故障或高功率耗散仍然存在，则重复该序列。（请注意，ADP8140 还可与外部热传感器一起使用以增强热保护。）

　　过温保护依赖于测量 LED 驱动器的温度而不是 LED 结本身的温度，其缺点是缺乏精度。即使设备非常接近，LED 驱动器也可能比 LED 温度高几度，这可能会在并非绝对必要时触发关机。更糟糕的是，情况可能正好相反，导致 LED 在 LED 驱动器断电之前损坏。第二个缺点是许多 LED 驱动器的过热保护包括在达到阈值温度时完全切断电源。这几乎不方便，尤其是当灯光照亮公共空间时。因此，工程师倾向于将关断功能设置为在非常高的温度下发生。

　　此外，许多 LED 驱动器会在系统冷却后自动重启。如果过热是由故障或环境温度异常高等极端情况引起的，则系统很可能会再次快速关闭，从而导致令人不安的闪烁效应。

　　与在达到设定温度时简单地关闭 LED 驱动器相比，一种更巧妙的技术是采用反馈回路，该反馈回路包括一个位于非常靠近 LED 结点的热传感器。通过在照明电路中添加负温度系数 （NTC） 热敏电阻（通常具有小封装尺寸并具有良好的性价比），可以逐渐降低驱动 LED 的电流，从而降低功耗以限制结温。

　　尽管降低电流会降低亮度，但设计人员可以设置最小电流，以使 NTC 传感器启动时的亮度变化低于消费者可以检测到的阈值。幸运的是，人眼在检测高亮度设备中的光度变化方面很差，因此在控制温度和显着降低光度之间的平衡方面具有合理的灵活性。无论如何，调暗而不是关闭要方便得多。

　　LED 驱动器制造商通过在其芯片中添加一个专用引脚来接受电阻器的输入，从而使将 NTC 电阻器集成到固定电子设备中变得更加简单。NTC 热敏电阻被称为热折返电路，尽可能靠近 LED 的结点放置，以提高温度测量的精度。随着温度升高（高于设计人员确定的设定值），热敏电阻的电阻降低，从而触发驱动 LED 的输出电流相应降低。LED 驱动器制造商使用脉宽调制 （PWM） 或模拟调光来降低输出电流。（请参阅 TechZone 文章“热折返如何提高 LED 照明灯具的可靠性。”）

　　LED 驱动器通常将连接到热传感器的电流降低电路集成到其产品中。例如， ON Semiconductor 的 CAT4101是一款具有热折返功能的 1 A 恒流线性 LED 驱动器。LED 驱动器在 3 至 5.5 V 输入范围内工作，并提供高达 1 A 的 25 V 输出。一旦 LED 结温超过 150°C，就会通过改变 PWM 占空比来降低电流。图 2 显示了 LED 驱动电流（红色）如何随 NTC 热敏电阻的电阻特性（蓝色）变化。2

　　图 2：ON Semiconductor 的 CAT4101 LED 驱动器的热折返特性。

　　除其他外，德州仪器（TI） 还提供一系列具有热折返功能的 LED 驱动器。例如，LM3424是降压/升压（“降压/升压”）LED 驱动器。该器件能够在 4.5 至 75 V 输入下工作，同时提供高达 5 A 的恒定电流。热折返功能允许工程师对断点（电流降低开始的温度）和电流降低梯度进行编程坡。

　　改善 LED 热保护

　　虽然基于温度传感器的热管理技术工作得相当好，但也有一些缺点。首先，添加 NTC 热敏电阻会增加复杂性；准确度、响应和梯度取决于设备的安装方式。其次，除非指定高端（因此价格昂贵）器件，否则温度/电阻斜率不是线性的，这使得电流的精确控制更加困难。第三，仅靠电流降低有时不足以将结温限制在安全区域，从而迫使工程师使用传统的过热保护来支持保护。

　　由于基于 NTC 热敏电阻的热折返技术的缺点，一些 LED 驱动器制造商已将热保护更进一步。英飞凌科技 实施了一项正在申请专利的技术，即 LED 驱动器本身成为温度传感元件，完全省去了 NTC 热敏电阻。该公司已在其ILD6070 LED 驱动器 IC 中实施了该技术。ILD6070 是一款降压转换器，能够在 4.5 至 60 V 输入电压范围内工作，同时提供高达 700 mA 的电流。它采用热优化 SOIC-8 封装。

　　LED 驱动器与 LED 紧密热耦合并用作温度参考。如果 LED 的温度超过预定的最大温度，则根据预编程的斜率调光特性降低电流。该公司声称，这种连续的调整范围使系统能够达到一个平衡点，以确保光源在压力条件下持续运行——尽管光输出有所降低。

　　如果热平衡因额外的热负载而被破坏，则电流会继续逐渐减小，直到达到目标 LED 平均电流的至少 25%，并且光源将继续提供具有 25% 目标光亮度的光输出输出。这种保护允许工程师设计具有较低安全裕度的被动热管理，确保在温度升高到异常水平时主动热保护将接管。

　　ILD6070 的温度基准根据斜率调光特性确定驱动电压 （V DRIVE ）（图 3）。驱动电压又决定了与 LED的发光度成比例的 LED 驱动电流 （i L ）。通过将 V DRIVE信号与内部生成的锯齿信号进行比较来实现调光，该锯齿信号又生成 PWM 脉冲序列。（因为 LED 驱动器与 LED 的热耦合并非总是可行的，因此 ILD6070 可用于传统配置中的 NTC 热敏电阻，同时仍可利用斜率调光特性。）［3］

　　图 3：Infineon Technologies 的 ILD6070 测量 LED 温度并根据与温度相关的斜率调光特性设置驱动电压。

　　设计人员能够通过在 ILD6070 的 T adj和 GND 引脚之间使用外部电阻器来设置 LED 结阈值温度（即开始限流的点） 。这样做的好处是允许设计人员在高结温的不利影响与系统成本和尺寸之间进行权衡。通过将阈值温度设置得相对较低，LED 将持续更长时间，但系统将需要更大的散热器以确保热量快速消散，从而使灯具在正常工作条件下不会反复进入限流范围。图 4 显示了各种电阻值对 ILD6070 的电流输出占空比（以及由此产生的输出电流）的影响。

　　图 4：ILD6070 限流操作的触发点可以通过选择不同的电阻值来改变。

　　过温安全网

　　被动热管理将继续在 SSL 设计中发挥关键作用。设计人员应确保 LED 产生的热量通过灯具散发，方法是采用低热阻 LED 和基板，以及在所有预期工作条件下有足够能力将热量散发到环境的散热器。

　　当组件故障或环境温度过高等不可预见的事件发生时，主动温度控制就会发挥作用。这种情况会对 LED 产生热应力并显着缩短其寿命。在最坏的情况下，热应力会导致灾难性故障。使用温度传感器反馈回路可在 LED 温度过高时降低驱动电流，从而消除热应力并防止故障。这样的“安全网”允许设计人员指定具有较低安全系数的较小散热器——节省成本和空间——确保主动温度控制将满足过热条件。

　　有源温度控制随着最新的 LED 驱动器解决方案不断发展，通过消除外部温度传感器并允许设计人员选择开始限流的温度，提供简化和灵活的设计解决方案。

　　参考：

1. “了解功率 LED 寿命分析”，Philips Lumileds 技术白皮书。
2. “ CAT4101 的热折返，LED 照明，”安森美半导体应用笔记，AND9053/D。
3. “ LED 照明应用的智能过温保护”，Hakan Yilmazer 和 Bernd Pflaum，英飞凌科技白皮书，2013 年 10 月。