固态照明的热管理技术介绍，如何解决LED驱动器的过热问题

随着高功率LED技术的成熟，工程师们收集的数据定量地证实了过热会如何缩短固态照明（SSL）的使用寿命。例如，在120°C的结温下工作时持续60,000小时的LED在150°C下工作时会发光超过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。在正常操作期间，这些方法工作良好，但是当SSL暴露于异常温暖的温度时，可能难以消散所有热量。

最近，LED电源（LED驱动器）制造商已经为其设备增加了限流功能，使工程师能够确定LED结温并在温度过高时关闭灯芯。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 - 并且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的工作原理。

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热量是电致发光过程的副产品，可使LED点亮。半导体中空穴和电子的重组导致一些光子离开LED并有助于整体照明，但是其他光子在模具中被重新吸收，从而产生热量。在器件工作时发生的LED晶格的微小振动也会升高温度。尽管LED与传统光源相比具有很高的功效，但应用于该设备的约70％至80％的电能仍然转换为热而不是光。

因为LED结很小，所以能量很小密度高，温度迅速上升。现代芯片的结温（TJ）升至140°C及以上并不罕见。在高温下长时间操作是不希望的，因为它会引起色度漂移并缩短寿命。 （参见TechZone文章“对白光LED色度的热效应”和“了解高亮度LED中的褪色原因。”）

Cree，Lumileds，OSRAM和Seoul Semiconductor等LED制造商提供从多年的可靠性试验数据中收集到的有关温度对寿命影响的有用信息。例如，图1显示了Lumileds LUXEON C白光LED在结温升高时的估计寿命。左侧轴表示相对亮度。当新产品（L70）的亮度低于输出的70％时，LED制造商认为LED会“失败”。 LUXEON C是一个118流明，120流明/瓦（350毫安，2.75伏）LED，从图表中可以看出，相差20°C可以将LED的寿命缩短约60,000小时（从LJ为80,000小时，TJ = 115°C至20,000小时，TJ = 135°C）。 1

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

考虑到使用LED设计时热管理的重要性，关于该主题的设计信息很多就不足为奇了。可供设计界使用。 Digi-Key文章库中有关LED热管理的项目包括“了解LED内部热阻”，“LED灯具的散热考虑”和“LED热管理的基础知识”。

无源热管理技术在将LED照明融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，并辅以散热器，以消除器件结的热量。然而，虽然这种技术令人满意地工作，但它确实具有许多缺点，包括增加照明装置的尺寸和增加成本。散热器可占SSL夹具成本的三分之一。此外，作为被动方法，机械热管理无法补偿环境温度的大幅度波动，例如室外SSL可能会受到影响。

主动热管理

最近，设计人员一直致力于通过主动技术来补充被动热管理，以应对LED寿命显着缩短或设备甚至可能发生灾难性故障的“极端”情况。保护LED的最简单方法是选择具有过温保护功能的LED驱动器。

许多现代LED驱动器都具有过温保护功能。例如，ADI公司最近推出的ADP8140拥有这样的功能。 ADP8140是一款线性稳压器，采用3至30 V输入电压工作，可提供高达500 mA的恒定电流。如果LED驱动器的芯片温度超过150°C，ADP8140将关闭功率级。当温度降至130°C以下时，ADP8140将重新启动电源。如果故障或高功耗仍然存在，则重复序列。 （请注意，ADP8140还可以与外部热传感器一起使用，以增强热保护。）

过热保护的缺点是缺乏精确度，它依赖于测量LED驱动器的温度而不是LED结本身的温度。即使设备非常靠近，LED驱动器也可能比LED温度高几度，这可能会在严格要求时触发关机。更糟糕的是，相反的情况可能是正确的，导致LED驱动器切断之前LED损坏。第二个缺点是许多LED驱动器的过温保护包括在达到阈值温度时完全切断功率。这几乎不方便，特别是如果灯光照亮了公共空间。因此，工程师倾向于将关闭功能设置为在非常高的温度下发生。在防止灾难性故障的同时，这对延长LED寿命没有任何作用。

此外，许多LED驱动器在系统冷却后自动重启。如果过热是由于故障或极端情况（例如异常高的环境温度）导致的，则系统可能会再次快速关闭，从而导致令人不安的闪烁效应。

一种比简单更微妙的技术当达到设定温度时关闭LED驱动器是采用反馈回路，该反馈回路包括非常靠近LED结的热传感器。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），可以逐渐减少驱动LED的电流，从而降低功耗以限制虽然减小电流会降低亮度，但设计人员可以设置最小电流，以便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的光度变化方面很差，因此在控制温度和显着降低亮度之间的平衡方面存在合理的灵活性。在任何情况下，调光而不是关闭都会更加方便。

LED驱动器制造商通过在其芯片上添加专用引脚以接受电阻器的输入，将NTC电阻器加入到夹具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。随着温度的升高（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的输出电流的相应降低。 LED驱动器制造商使用脉冲宽度调制（PWM）或模拟调光来降低输出电流。 （参见TechZone文章“热折返如何提高LED照明灯具的可靠性。”）

LED驱动器通常将与热传感器相连的电流减少电路并入其产品中。例如，安森美半导体的CAT4101是具有热折返功能的1A恒流线性LED驱动器。 LED驱动器采用3至5.5 V输入工作，提供高达1 A的25 V输出。一旦LED结温超过150°C，通过改变PWM占空比可以降低电流。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：安森美半导体CAT4101 LED驱动器的热折返特性。

德州仪器（TI）等公司还提供一系列具有热折返功能的LED驱动器。例如，LM3424是一个降压/升压（“降压/升压”）LED驱动器。该器件能够在4.5 V至75 V输入电压下工作，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）和电流降低的梯度进行编程斜率。

改善LED热保护

虽然基于温度传感器的热管理技术运行良好，但存在一些缺点。首先，添加NTC热敏电阻会增加复杂性;精度，响应和梯度取决于设备的安装方式。其次，除非指定高端（因此昂贵）器件，否则温度/电阻斜率不是线性的，使得精确控制电流更加困难。第三，单独的电流降低有时不足以将结温限制在安全区域，迫使工程师采用传统的过温保护来支持保护。

由于NTC热敏电阻热折返的缺点一些LED驱动器制造商已经采取了进一步的热保护措施。英飞凌科技已经实施了一项正在申请专利的技术，其中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中实施该技术。 ILD6070是一款降压电压转换器，能够在4.5至60 V输入电压下工作，同时提供高达700 mA的电流。它采用热优化的SOIC-8封装。

LED驱动器与LED紧密热耦合，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减小电流。该公司声称，这种连续的调整范围允许系统达到平衡点，确保光源在压力条件下继续运行 - 尽管光输出减少。

如果热平衡受到额外的影响热负荷逐渐减少电流，直到达到目标LED平均电流的最小值的25％，并且光源将继续提供光输出，其亮度为目标光输出的25％。这种保护允许工程师设计具有较低安全裕度的无源热管理，因为如果温度上升到非常高的水平，主动热保护将接管。

ILD6070的温度参考值根据斜率调光特性确定驱动电压（VDRIVE）（图3）。驱动电压又决定LED驱动电流（iL），其与LED的发光度成比例。通过将VDRIVE信号与内部产生的锯齿波信号进行比较来实现调光，锯齿波信号又产生PWM脉冲序列。 （由于LED驱动器与LED的热耦合并不总是可能的，因此ILD6070可以采用NTC热敏电阻的传统配置，同时仍然利用斜率调光特性。） [3]

图3：英飞凌科技的ILD6070测量LED温度并根据温度设置驱动电压斜率调光特性。

设计人员可以通过在ILD6070的Tadj和GND引脚上使用外部电阻来设置LED结温阈值（电流限制开始时的点）。这具有允许设计者将高结温的有害影响与系统成本和尺寸进行权衡的优点。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，使得灯具在正常操作条件下不会重复进入限流范围。图4显示了各种电阻值对ILD6070电流输出占空比（以及其输出电流）的影响。

图4：触发点可以通过选择不同的电阻值来改变ILD6070的限流操作。

超温安全网

无源热管理将继续在SSL设计中发挥关键作用。设计人员应确保LED产生的热量通过使用低热阻LED和基板以及具有足够容量的散热器散发出来，以便在所有预期的工作条件下将热量散发到环境中。

当发生组件故障或极高环境温度等无法预料的事件时，主动温度控制开始发挥作用。这些条件会对LED产生热应力并大大缩短其寿命。在最坏的情况下，热应力可能导致灾难性故障。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。这种“安全网”允许设计人员指定较小的散热器，安全系数较低 - 节省成本和空间 - 确保主动温度控制可以满足过温条件。

主动温度控制继续发展，最新的LED驱动器解决方案通过消除外部温度传感器提供简化和灵活的设计解决方案，并允许设计人员选择电流限制开始的温度。