7張圖片透徹解析LED照明散熱問題及可調(diào)整式熱保護技術(shù)！

伴隨LED照明市場高速發(fā)展，LED照明應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)品愈趨于輕薄短小，而且功率需求卻更為強大，其中，關(guān)于散熱效能要求日益嚴苛。另外，LED電源模塊的失效率亦隨著燈具材料散熱效能有限而提高，因此，在LED照明控制IC相關(guān)熱保護感測技術(shù)，近來成為各LED燈具設(shè)計應(yīng)用之熱點。

LED燈具散熱問題

一般傳統(tǒng)的LED燈具以采用鋁散熱材料作為燈殼，雖有良好的散熱效果，但加工復(fù)雜、成本高、材質(zhì)重等缺點。LED照明燈具散熱原理上，需藉由物質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo)熱能的載體導(dǎo)熱機理。

其中，金屬導(dǎo)熱佳主要是因為金屬具有自由電子因而能快速傳遞熱能;而塑料因無自由電子，分子振動困難，其熱傳導(dǎo)主要是材料本身晶格震動的結(jié)果，而聲子為主要熱能載荷者。

相對的，塑料燈殼在設(shè)計、性能和成本方面的其他優(yōu)點，如重量輕(比鋁材輕20~40%)、兼具易成形、低成本，而且最為重要的特色是因塑料不導(dǎo)電，具備良好的電氣絕緣能力，故非隔離型LED照明驅(qū)動器采用塑料外殼已是大勢所趨。

不過，一般塑料其導(dǎo)熱效能相當(dāng)差，樹脂種類材料也直接影響導(dǎo)熱好壞，一般塑料導(dǎo)熱系數(shù)k值一般只有0.2W/(m*K)，約為金屬鋁之1/1000。無法有效散熱及影響LED燈具可靠度。

LED燈具可靠度

可靠度的概念，最早始于二次大戰(zhàn)，德國在研制V-1火箭時，對于每個組件的失效率直接影響整個系統(tǒng)的表現(xiàn)研究。在LED燈具的電源模塊中觀念相同，其中環(huán)境溫度的變因更會導(dǎo)致降低LED燈具的可靠度，LED與驅(qū)動電路中所使用的電解電容器于可靠度評估中影響最大。

其中圖1為高亮度白光LED的Tj溫度與使用命關(guān)系圖，從圖中可知Tj溫度愈低則使用壽命愈長，另外，圖2電解電容器器溫度與使用壽命關(guān)系圖，電源模塊中電解電容器使用壽命，也同樣與環(huán)境溫度成反比。

電解電容器毀壞甚至?xí)?dǎo)致燈具無法使用，故若燈具能隨著感測環(huán)境溫度有效的調(diào)整自體溫度也就能延長LED燈具的使用壽命。因此，如何調(diào)整溫度為LED照明應(yīng)用中重要之課題。

圖1LEDTj溫度與使用壽命關(guān)系圖

圖2電解電容溫度與使用壽命關(guān)系圖

溫度感測

感測溫度的實際應(yīng)用中，熱敏電阻器是最為常見且容易取得的溫度傳感器，其中LED燈具電源模塊中加入熱敏電阻器作為感測溫度應(yīng)用具備有效且低成本的解決方案。

熱敏電阻器是由金屬氧化物混合后高溫?zé)Y(jié)而成。所形成的組件擁有隨溫度而改變電阻值的特性。

其中常見的一大類屬于負溫度系數(shù)熱敏電阻(negativetempcoefficientthermistor)，簡稱NTCThermistor。其電阻值會隨著溫度上升而下降。

使用熱敏電阻器用來作溫度感測的三大優(yōu)點：

1、其具備極高的靈敏度。若采用高阻值的熱敏電阻器，靈敏度可高達10kΩ/°C。

2、其相對的高阻值。其在25°C時的阻值，可以橫跨數(shù)百至數(shù)MΩ的選擇性。其所擁有的高阻值，降低了由導(dǎo)線阻抗所帶來的誤差。

3、熱敏電阻器提供多樣性的組件包裝，其中貼片式的極小外形包裝，甚至尺寸可縮小到0201包裝，如圖3所示。在電路設(shè)計中可輕易Layout于需感測熱源的組件周遭。

圖3熱敏電阻包裝示意圖

不過在實務(wù)應(yīng)用上，使用熱敏電阻器用來作溫度感測，還是有其限制：

1、熱敏電阻器為被動電阻器，使用上需由電流流過驅(qū)動，故有電流流過即有功率損耗所散發(fā)的熱能，使用上熱敏電阻器需串聯(lián)大阻值的電阻器限流，以避免熱敏電阻器過度自熱，反應(yīng)自體功耗溫度，而非感測待測物的溫度。

2、熱敏電阻器雖擁有較高的阻值與靈敏度，但其溫度特性是非線性的，其中圖4為興勤電子TSMSeries的熱敏電阻阻值對溫度的關(guān)系圖。

如圖所示，在需感測的溫度范圍內(nèi)電阻阻值對溫度變化劇烈，需并聯(lián)多顆熱敏電阻器或是電阻器以修飾溫度斜率變化曲線，研發(fā)過程中，拉長開發(fā)時效，增加成本。

圖4熱敏電阻器阻值對溫度的關(guān)系圖

可調(diào)整過熱保護功能

提供熱保護的LED驅(qū)動IC，搭配熱敏電阻器應(yīng)用需具備可解決熱敏電阻器自熱問題等限制，另外，熱保護功能的可調(diào)整性最為重要，其中包含可任意調(diào)整開啟及關(guān)閉熱保護功能的輸出電流調(diào)節(jié)起始點(TFB)及輸出電流截止點(TCut-off)以供電路設(shè)計，圖5為可調(diào)整過熱保護設(shè)計示意圖。電路開發(fā)階段可以任意調(diào)整過熱保護功能。

圖5可調(diào)整過熱保護設(shè)計示意圖

另外，因環(huán)境溫度上升，LED電流下降斜率調(diào)整以達到調(diào)節(jié)燈具溫度之效能。其LED的亮度會隨輸出電流下降而減少，下降的斜率需符合gamma曲線中的人眼對低亮度變化的感覺比高亮度變化的感覺敏銳特性，如圖6所示。

熱保護功能需調(diào)整，使高亮度時采用斜率緩慢下降，讓使用者在不知不覺中，達成LED燈溫度調(diào)節(jié)，以延長使用壽命。

圖6人眼視覺的gamma曲線

可調(diào)整熱保護功能vs.傳統(tǒng)熱保護功能曲線有可調(diào)整熱保護功能的LED驅(qū)動IC與傳統(tǒng)熱保護功能，輸出電流與溫度關(guān)系圖如圖7所示。量測結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯的可察覺，可調(diào)整熱保護功能的LED驅(qū)動IC更可以符合用戶需求。

圖7可調(diào)整熱保護功能vs.傳統(tǒng)熱保護功能曲線

結(jié)論

可調(diào)整式熱保護功能LED驅(qū)動IC可有效的延長燈具使用壽命及提升可靠度，在功率越做越大的LED照明市場，為使用者增加一個絕佳的選擇。