引言
當(dāng)LED所處環(huán)境溫度高于安全工作點(diǎn)溫度時(shí),LED的正向電流就會(huì)超出安全區(qū),使LED的壽命大為降低甚至損壞,。解決方法是利用溫度補(bǔ)償電路來(lái)不斷減小LED的正向電流值,,避免LED因溫度過(guò)高而損壞。
1 大功率LED溫度補(bǔ)償方案
如何最有效地保護(hù)高溫條件下工作的大功率LED,,是急需解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,,這對(duì)延長(zhǎng)大功率LED的使用壽命至關(guān)重要。解決大功率LED的過(guò)熱問(wèn)題,,主要有以下4種設(shè)計(jì)方案:
方案之一:通過(guò)合適的散熱器將LED芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)掉,,使芯片的結(jié)溫降低。但該方案是在設(shè)計(jì)LED燈具時(shí)預(yù)先采取的一種解決辦法,,并且必須給散熱能力留出足夠余量,,在實(shí)際工作中很難保證達(dá)到既理想、又經(jīng)濟(jì)的效果,。
方案之二:利用LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的過(guò)熱保護(hù)電路關(guān)斷LED驅(qū)動(dòng)器的輸出,,迫使LED熄滅,達(dá)到降溫目的,。該方案只是在極端情況下LED驅(qū)動(dòng)芯片被迫采取的過(guò)熱保護(hù)措施,,無(wú)法保證LED長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。
方案之三:采用恒壓/恒流式(CV/CC)LED驅(qū)動(dòng)器,,其特點(diǎn)是當(dāng)輸出電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)通過(guò)電流控制環(huán)使維持恒定,。此方案屬于被動(dòng)的間接式過(guò)熱保護(hù)措施,因?yàn)楹銐?恒流控制電路是通過(guò)檢測(cè)輸出電流來(lái)啟動(dòng)電流環(huán)的,,與LED所處的環(huán)境溫度并沒(méi)有直接關(guān)系,,所以不能根據(jù)LED的溫度來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出電流的大小。
方案之四:專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)LED照明用溫度測(cè)控系統(tǒng),。但因成本過(guò)高,,難以在LED照明領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。
分析可知,,給LED驅(qū)動(dòng)器增加溫度補(bǔ)償功能是一種簡(jiǎn)便易行的解決方案,。溫度補(bǔ)償?shù)幕驹硎且坏┏霈F(xiàn)異常情況使LED溫度過(guò)高時(shí),LED驅(qū)動(dòng)器能根據(jù)熱敏電阻器檢測(cè)到的溫度,,自動(dòng)降低輸出電流值,,確保LED工作在安全區(qū)域之內(nèi),這就從根本上解決了LED過(guò)熱損壞或使用壽命降低的難題,,從而大大提高了LED燈具的可靠性與安全性,;當(dāng)溫度降低到安全區(qū)域時(shí),LED-~g動(dòng)器的輸出電流能自動(dòng)回升到正常值,。顯然,,這種帶溫度補(bǔ)償功能的LED驅(qū)動(dòng)器芯片屬于具有自動(dòng)實(shí)時(shí)控制的“智能化”芯片,,它不僅代表了高端LED驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方向,而且具有重要的實(shí)用價(jià)值,。
2 大功率LED的溫度補(bǔ)償基本原理
最近問(wèn)世的帶溫度補(bǔ)償LED驅(qū)動(dòng)器可圓滿(mǎn)解決上述技術(shù)難題,。其工作特點(diǎn)是當(dāng)LED所處境溫度低于安全工作點(diǎn)溫度時(shí),LED驅(qū)動(dòng)器工作在恒流區(qū),;一旦超過(guò)安全工作點(diǎn)溫度,,就立即進(jìn)入溫度補(bǔ)償區(qū),此時(shí)LED驅(qū)動(dòng)器不僅能根據(jù)溫升自動(dòng)調(diào)低輸出電流,,還可通過(guò)電阻預(yù)先設(shè)定好安全工作點(diǎn)溫度和曲線(xiàn)的斜率,。這種帶溫度補(bǔ)償?shù)拇蠊β蔐ED~g動(dòng)器輸出電流與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。這也是高端LED~g動(dòng)器的一個(gè)顯著特點(diǎn),。美國(guó)矽恩(si—EN)微電子有限公司于2009年在世界上率先推出帶溫度補(bǔ)償?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)器SN3352,,其同類(lèi)產(chǎn)品還有交/直流兩用的帶溫度補(bǔ)償可調(diào)光式HB-LED驅(qū)動(dòng)控制器SN3910(需配外部功率開(kāi)關(guān)管MOSFET),為實(shí)現(xiàn)大功率LED的溫度補(bǔ)償提供了便利條件,。
與LED所處環(huán)境溫度的關(guān)系曲線(xiàn)隨著LED正向電流的減小是否會(huì)導(dǎo)致LED的亮度顯著降低,,這種疑慮通常是不必要的。根據(jù)韋伯~費(fèi)赫涅爾定律(Weber—Fechner),,人眼的主觀亮度感覺(jué)與客觀亮度的變化量(可等效于白紙面上照度的變化量)呈對(duì)數(shù)關(guān)系,,二者的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由圖可見(jiàn),,當(dāng)紙面上的照度從1O001x降低到1001x,,即減小到原來(lái)的10%時(shí),人眼感覺(jué)到亮度只變暗了50%(人眼的主觀亮度感覺(jué)從8降至4),。舉例說(shuō)明,,即使LED驅(qū)動(dòng)電流從350mA減小到175mA,即減小到原來(lái)的50%,,這會(huì)使客觀亮度降低,;但經(jīng)過(guò)取對(duì)數(shù)后人眼覺(jué)察到的亮度變化并不那么明顯。
帶溫度補(bǔ)償?shù)拇蠊β蔐ED驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用
SN3352屬于帶溫度補(bǔ)償功能的高端LED驅(qū)動(dòng)芯片,,它兼有恒流驅(qū)動(dòng),、溫度補(bǔ)償、可調(diào)光,、LED開(kāi)路保護(hù)和關(guān)斷模式這5種功能,能顯著提高LED的可靠性,,大大延長(zhǎng)LED的使用壽命,。
SN3352內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償電路,適配外部的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器來(lái)檢測(cè)LED所處的環(huán)境溫度T,,NTC熱敏電阻器就放在LED燈具內(nèi)靠近LED的位置上,。SN3352通過(guò)不斷地測(cè)量它的電阻值RNTC,,即可實(shí)時(shí)獲取LED芯片的溫度信息。R值隨T的升高而逐漸減小,,當(dāng)R值與溫度補(bǔ)償起始點(diǎn)設(shè)定電阻R的阻值相等時(shí),,SN3352就開(kāi)始減小輸出的平均值電流,起到溫度補(bǔ)償作用,。當(dāng)T降低到安全值時(shí),,平均值電流又自動(dòng)恢復(fù)成預(yù)先設(shè)定好的恒流值。
SN3352的典型應(yīng)用電路如圖3所示,。輸入電壓U=+6~40VC為輸入端的旁路電容器,。假如前級(jí)為電源變壓器輸出的12V交流電,再經(jīng)過(guò)整流濾波器獲得直流電壓,,由于紋波電壓較大,,C的容量應(yīng)大于200gF,推薦采用X5R,、X7R系列電解電容器,,普通電解電容器不適合用作退耦電容,以免影響SN3352的工作穩(wěn)定性,。
C2為RNc端的消噪電容器,。
LED燈串由1oRlW白光LED構(gòu)成。利用R設(shè)定溫度補(bǔ)償起始點(diǎn),。R為NTC熱敏電阻器,,它在TA:25℃時(shí)的電阻值為100kQ。L為47H電感量,,允許范圍是47~220gH,。當(dāng)輸入電壓較高、輸出電流較小時(shí),,需要增大電感量,,以降低輸出紋波,提高電源效率,。電感器的磁飽和電流應(yīng)大于SN3352的峰值輸出電流,,電感的平均電應(yīng)大于,o(AvG)值,。當(dāng)o(AvG)=700mA時(shí)電感器的磁飽和電流應(yīng)大于1.2A=350mA時(shí),,磁飽和電流應(yīng)大于500mA。電感器應(yīng)盡量靠近SN3352,,以減小引線(xiàn)電阻,。為提高1MHz驅(qū)動(dòng)器的效率,整流管VD必須采用反向恢復(fù)時(shí)間極短,、低壓降,、反向漏電流很小的肖特基二極管,。
為改善NTC熱敏電阻的非線(xiàn)性,可在R上串聯(lián)一只固定電阻R,。若需減小輸出紋波電流,,還可在LED燈串的兩端并聯(lián)一只旁路電容器C。當(dāng)C=1gF時(shí),,可將輸出紋波電流大約減小到原來(lái)的1/3,。LED溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)的溫度補(bǔ)償起始點(diǎn)TH由R設(shè)定,曲線(xiàn)斜率則由熱敏指數(shù)B和R,、R,。的阻值共同決定。一旦R,、R和R的阻值確定之后,,溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)就被確定。推薦RTH的阻值范圍是lkQ~100kQ,。
舉例說(shuō)明,,設(shè)計(jì)條件為B=4485,R=0,,RNTc=220kQ,,RTH=22.1kQ。所對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)如圖4所示,,R采用貼片式熱敏電阻器,。選定熱敏指數(shù)B之后,R的阻值越小,,補(bǔ)償起始點(diǎn)溫度值越高,;當(dāng)R=ou,-t,斜率只取決于R值,;R≠0時(shí),,R與R的總電阻值越大,溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)越陡,,斜率越大,。
4 帶溫度補(bǔ)償?shù)膌ib—LED驅(qū)動(dòng)控制器典型應(yīng)用
SN3910屬于交/直流兩用帶溫度補(bǔ)償可調(diào)光HB—LED(高亮度LED)驅(qū)動(dòng)控制器,適合驅(qū)動(dòng)HB—LED照明燈,。采用交流供電方式的SN3910典型應(yīng)用電路如圖5所示,。交流輸入電壓U=220V±15%。FU為lA/250V熔絲管,,RNTcl為啟動(dòng)電源時(shí)的限流電阻,。C為抑制串模干擾的線(xiàn)問(wèn)電容器。整流橋由4只1N4007型1A/1000V的硅整流管構(gòu)成,。為提高功率因數(shù),,利用VD~VD、C,,和C構(gòu)成二階填谷式PFC電路,。RNT2選用l00kQ(TA=25℃)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。R采用1.0Q精密電阻器,,兩端并聯(lián)一只可調(diào)電阻器R(100Q),。
SN3910的溫度補(bǔ)償起始點(diǎn)及輸出電流下降的斜率,可通過(guò)R,、R來(lái)設(shè)定,。溫度補(bǔ)償?shù)脑砣缦拢菏紫扔蒃引腳提供1.2V的基準(zhǔn)電壓U,然后經(jīng)過(guò)電阻分壓器RT1I,、R接地,。將電阻分壓器的中點(diǎn)接LD引腳,設(shè)其電壓為有關(guān)系式:
分析(1)式和(2)式可知,,當(dāng)環(huán)境溫度T升高時(shí),,R。的電阻值迅速減小,。
一旦U<0.24V,,就啟動(dòng)溫度補(bǔ)償功能,立即通過(guò)SN3910的內(nèi)部電路使輸出峰值電流減小,,平均值電流也隨之減小,,從而達(dá)到了溫度補(bǔ)償目的。