發(fā)光二極管(led)技術(shù)已經(jīng)取得了快速的進(jìn)展,,而芯片設(shè)計(jì)和材料的改進(jìn)促進(jìn)了更亮,、更耐用光源的開發(fā),,使光源應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大,。但LED照明廠商仍須繼續(xù)克服LED光源熱敏感性強(qiáng)的難題。熱量過(guò)多或應(yīng)用不當(dāng)都會(huì)使LED光源的性能大打折扣,。
散熱管理決定LED壽命
使用一個(gè)60瓦白熾燈泡的燈具大約產(chǎn)生900流明照度,,必須通過(guò)傳導(dǎo)耗散3瓦熱量。使用典型直流LED作為光源達(dá)到相同的900流明照度只需要十二個(gè)LED,。假設(shè)順向電壓(VF)為3.2伏特,,電流為350毫安,該燈具的輸入功率可按下列公式1計(jì)算:
功率=12x3.2伏特x350毫安=13.4瓦………公式1
在此情況下,,約20%輸入功率轉(zhuǎn)換為光,,80%則轉(zhuǎn)換為熱。這取決于多種因素,,發(fā)熱可能與底層不規(guī)則以及聲子發(fā)射,、密封、材料等有關(guān),。在LED產(chǎn)生的總熱量中,,有90%透過(guò)傳導(dǎo)傳輸。表1為耗散來(lái)自LED接面的熱量,,傳導(dǎo)是導(dǎo)熱的主要通道,,因?yàn)閷?duì)流和輻射僅占全部熱傳輸約10%。比如一個(gè)LED可能轉(zhuǎn)換近10.72瓦熱量(13.4瓦×0.8),。其中,,9.648瓦(10.72瓦×0.9)透過(guò)傳導(dǎo)從LED接面?zhèn)鬏敾蜻w移。顯然,LED光源需要精確的功率和熱管理系統(tǒng),,因?yàn)榕c其他光源相比,,提供給LED的電能大部分轉(zhuǎn)換為熱量。如果沒有適當(dāng)?shù)臒峁芾?,這種熱量會(huì)影響LED壽命和色彩輸出,。同時(shí)由于LED驅(qū)動(dòng)裝置屬于硅組件,很快就會(huì)失效,,因此必須配備故障安全備用過(guò)電流保護(hù)裝置,。
LED的光學(xué)性能因溫度不同而呈現(xiàn)明顯的差別。LED的發(fā)光量隨接面溫度升高而減少,,對(duì)某些技術(shù)而言,,發(fā)射波長(zhǎng)也會(huì)隨溫度而變化。如果不對(duì)驅(qū)動(dòng)電流和接面溫度加以適當(dāng)控制,,LED效率會(huì)迅速下降,,造成亮度減弱、壽命縮短,。與接面溫度有關(guān)的另一個(gè)LED特性是順向電壓(圖1),,VF為經(jīng)過(guò)LED順向壓降,當(dāng)傳導(dǎo)開始時(shí),,VF約為2伏特(對(duì)于紅色LED)和3.5伏特(對(duì)于藍(lán)色LED);TF為在PN接面上,,LED內(nèi)部的溫度。如果該溫度過(guò)高,,LED將損壞;Ij為經(jīng)過(guò)LED的順向電流,。如果僅使用一個(gè)簡(jiǎn)單的偏壓電阻控制驅(qū)動(dòng)電流,VF將隨溫度升高而下降,,驅(qū)動(dòng)電流增大,。尤其對(duì)大功率LED而言,這將導(dǎo)致熱崩潰,,并造成組件失效,。常見的做法是透過(guò)將LED安裝在金屬芯印刷電路板(PCB)上加速導(dǎo)熱,從而控制接面溫度,。電線耦合瞬態(tài)和涌流也會(huì)減少LED壽命,,許多LED驅(qū)動(dòng)裝置很容易因直流電壓和極性錯(cuò)誤而受損,LED驅(qū)動(dòng)裝置的輸出也會(huì)因短路而受損或毀壞,。多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)裝置含有內(nèi)置安全功能,,包括熱關(guān)機(jī)以及LED開路和短路檢測(cè)。但是,,要保護(hù)IC和其他敏感電子組件,,可能需要額外的過(guò)流保護(hù)組件,。
圖1 順向電壓隨接面溫度升高而下降
輸入/輸出保護(hù)防止負(fù)載異常
LED是透過(guò)定電流驅(qū)動(dòng)的,其順向電壓介于2~4.5伏特之間,,與顏色和電流有關(guān),。舊式設(shè)計(jì)依靠簡(jiǎn)單電阻器限制LED驅(qū)動(dòng)電流,但是基于廠家規(guī)定的典型順向壓降設(shè)計(jì)LED電路會(huì)導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)裝置過(guò)熱,。當(dāng)經(jīng)過(guò)LED的順向壓降下降到遠(yuǎn)低于典型規(guī)定值的水平時(shí),,可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。在這類事件中,,經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)裝置的電壓升高可能導(dǎo)致來(lái)自驅(qū)動(dòng)裝置封裝的總功率耗散更高,,因此對(duì)性能或壽命產(chǎn)生不利影響。
目前,,多數(shù)LED應(yīng)用利用功率轉(zhuǎn)換和控制組件連接各種功率源,,如交流電線、太陽(yáng)能電池板或電池,,來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)裝置的功率耗散,。對(duì)這些接口加以保護(hù),防止它們因過(guò)流和過(guò)溫而受損,,常常用到具有可復(fù)位能力的聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)組件(圖2),??梢耘c功率輸入串聯(lián)一個(gè)PolySwitch LVR組件,,防止因電氣短路、電路超載或用戶誤操作而受損,。此外,,放在輸入端上的金屬氧化物變阻(MOV)也有助于LED模塊內(nèi)的過(guò)壓保護(hù)。
圖2 開關(guān)模式電源的典型電路保護(hù)設(shè)計(jì)
PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后,。許多設(shè)備廠商選擇能保護(hù)電路與具備上游故障安全保護(hù)的可重設(shè)定PolySwitch組件組合,。在本例中,R1是與保護(hù)電路組合使用的鎮(zhèn)流電阻,,LED驅(qū)動(dòng)裝置容易因直流電壓和極性錯(cuò)誤而受損,,輸出也會(huì)因有害短路而受損或毀壞,帶電埠也容易因過(guò)壓瞬態(tài)受損,,包括靜電放電(ESD)脈沖,。圖3表示針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)裝置和燈泡數(shù)組的典型電路保護(hù)設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)裝置輸入上的PolyZen組件既為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡(jiǎn)單性,,同時(shí)又避免了對(duì)大量散熱片的需求,。該組件有助于單個(gè)、小型封裝內(nèi)的瞬態(tài)抑制,、反向偏壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù),。
圖3 LED驅(qū)動(dòng)裝置輸入和輸出的協(xié)同保護(hù)方案
驅(qū)動(dòng)輸出上的PolySwitch組件有助于防止因有害短路或其他負(fù)載異常而受損,,為了充分發(fā)揮PolySwitch組件的作用,可以與金屬芯電路板或LED散熱片熱接,,此外,,與LED并置的PESD組件也可以對(duì)靜電放電加以保護(hù)。
第二類功率源增加設(shè)計(jì)彈性
在照明系統(tǒng)中采用第二類功率源可成為降低成本,、提高彈性的重要因素之一,。固有的有限功率源,如變壓器,、電源供應(yīng)器或電池等,,可以包含保護(hù)組件,只要不依靠它們限制第二類功率源的輸出即可,。非固有型的有限功率源,,按照定義,具有一個(gè)分立保護(hù)組件,,當(dāng)電流和能量輸出達(dá)到預(yù)定值時(shí)它會(huì)自動(dòng)中斷輸出,,各種電路保護(hù)組件都有助于提供LED照明應(yīng)用第二類功率源的安全操作。圖4表示了一種協(xié)同保護(hù)策略的工作原理,,它在交流輸入上采用了一個(gè)MOV,,在輸出電路分支上采用了一個(gè)PolySwitch組件,可以幫助廠商滿足UL 1310第35.1小節(jié)針對(duì)開關(guān)和控制裝置的過(guò)載試驗(yàn)要求,。
圖4 第二類功率源的協(xié)同保護(hù)方案
可重設(shè)PPTC組件可以防止因LED照明應(yīng)用中過(guò)流和過(guò)溫故障造成的損害,,MOV過(guò)壓保護(hù)組件有助于廠家滿足各種安全機(jī)構(gòu)的要求,可提供大電流輸送和能量吸收能力,,并快速響應(yīng)過(guò)壓瞬態(tài),。與多數(shù)ESD保護(hù)組件相比,PESD組件電容極低,,約0.25皮法,,并且具有電子行業(yè)最普遍的形狀系數(shù)。
PolyZen組件既為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡(jiǎn)單性,,同時(shí)又避免了對(duì)大量散熱片的需求,。這種單元件方案可以對(duì)因電源使用不當(dāng)導(dǎo)致的受損提供保護(hù),并具有瞬態(tài)抑制,、反向偏壓保護(hù)能力,,也可防止因過(guò)流事件而受損。在協(xié)同保護(hù)方案中使用這些組件可以讓設(shè)計(jì)人員減少組件數(shù)量,,提供安全可靠的產(chǎn)品,,滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求,并減少保固和維修成本,。