试论高亮度LED的热应力保护

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事实上，输入LED的电力只有不到20％转化为光能，其余的80％则变为热力。这实在是照明系统设计人员需要克服的问题。假如照明系统实施欠佳，即使最完善的散热设计也无法发挥真正效用。保持安全的LED操作环境、减少热对LED寿命造成影响，便落在用于LED驱动IC之上。
审定规格
只要看看高亮度LED制造商提供的元件产品规格，便不难确定需要留意的主要设计参数，并且可以得知在高温下操作这些元件的负面影响。LED的实际寿命与功率消耗和LED的温度成反比。制造商可显示在Tj 80℃温度下运行约一亿小时的平均故障间隔时间（MTBF）。在实用的系统中，LED的故障不一定会造成大问题，但在散热不足而Tj又升至120℃或以上的系统中，LED的寿命将大幅缩短。在极端的情况下，LED更会即时出现故障。散热设计可导入超补偿功能，以抗衡最恶劣的实施环境。但在某些情况下，这是不可能的事情。以筒灯为例，一般安装在绝缘的天花板夹层空间。这层空间不仅妨碍散热，还没有足够位置安装额外的散热设施。

相对亮度也与结点温度成反比。随着数据资料的变异，制造商估计在最大结点温度下的光输出会减弱30％。同样，流明维护效果与结点温度也成反比。在70℃结点温度下，一个LED操作超过五万小时后，一般会损耗30％的光度输出；温度更高时损耗会更大。
实际上，无论原因何在，光输出随时间减弱不一定会构成大问题。用户甚至未必察觉到减弱现象，因为LED的性能表现根本就可以媲美其他照明设备。

结点温度的控制
综合上述因素，考虑周详的设计人员最重要的目标，就是LED的散热，把结点温度保持在最大额定值以下，避免过早出现故障。用来产生所需LED电流的电子元件，可以导入侦测温度过高的方法，有效减低LED的驱动电流，保持稳定的操作温度。虽然光线输出会略为减弱，但LED的「生命力」却十分旺盛，可以长期运作。

以(图一)的电路为例，当中的降压转换器配备温度控制功能。该电路设计专门用来驱动LED，驱动电流高至1安培，供应电压介乎4至6伏特。
　

(图一)　把温度控制引入降低转换器的配置
　

降压转换器操作
在Q1开关起动后，电流便会流过LED和L1，并且提升至一个特定水平，使通过Rsense 的电压达到U1的临限。ZXSC300控制器接着会把驱动移除至Q1，然后断路。储存在L1内的能量会产生放电，流过D1和LED。ZXSC300的固定断路周期为1.7?s，然后Q1会再起动，整个周期又会再重复。这个应用的交换频率约为150kHz。
加入热能控制
电路利用一个150k? NTC热控管进行温度侦测，该元件所设位置与LED保持高压热能接触。流过热控管的电流会倍增，再与峰值交换电流相加，加以调节LED电流。

随着温度增加，热控管的电阻会减少，让更大电流流过，以提高Isense 电压，使控制器在更低的LED电流下关掉。热控管的Rgain 和Rsense 值经过设定，使LED的操作温度保持在安全操作的界限。如控制图像所显示，供应电压的变异只会对温度控制带来很小的影响。

图一的电路所采用的元件，是利用以下的简单方程式计算出来的。
　

(公式一)
　

这个电路利用一个Yuden 150k?热控管作为温度感应器。目标控制温度为 75℃，输出电流为833mA。Rgain为10?，Rsense为20m?，Vsense为20mV。(表一)显示了热控管的温度特性，以及6V电源对峰值电流的影响。有关结果在(图二)显示，主要针对4至6伏范围内的不同电压值。

这个例子说明了驱动833mA LED电流所需的元件。电路可以轻易适配，透过改变Rsense值驱动更低电流。只需改变Rgain值，便可选择不同的温度断点。
　

Tem p ℃

R NTC kOhm

Ipeak A

Change ％

-25

2800

1.00

600

1.00

160

0.98

0.94

0.83

100

0.57

-31

125

1.6

0.00

-100

表一　热控管的温度特性及对峰值电流的影响
　

(图二)　在4至6伏电压范围内热控管特性对峰值电流的影响
　

总结
只需要加入简单的电子元件，就可以保护贵重的高亮度LED。这种技巧可以在很多不同的控制系统上应用，同时适用于采用任何ZXSC系列LED驱动器IC的降压和升压操作模式。这种热保护设计有助照明系统的设计人员实现更小巧、生产成本更低的解决方案。在某些情况下，甚至可以采用在没有热保护的环境下无法使用的面积。

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