與白熾燈鎢絲燈泡不同，高功率LED不輻射熱量,。與之相反,，LED將其PN結(jié)的熱量傳導(dǎo)到LED封裝的散熱金屬小塊上。由于LED產(chǎn)生的熱量采用傳導(dǎo)方式散發(fā),，因此這些熱量需要一個更長,、更昂貴的路徑才能完全散發(fā)到空氣中去。目前HB LED通用照明的一個最大商業(yè)化障礙就是其散熱問題,，因此能否徹底有效地解決這問題可以說是贏得客戶的關(guān)鍵,。本文將為你分享Zetex的LED照明專家在解決散熱問題時的獨到經(jīng)驗。
在迅速發(fā)展的LED照明設(shè)計中,，大多數(shù)人將注意力集中在高亮度(HB)LED的調(diào)光控制策略上,。不過，HB LED照明應(yīng)用的本質(zhì)要求我們將更多的注意力轉(zhuǎn)移到散熱控制上,。
雖然LED制造商通過大幅提高每瓦的流明數(shù)正在降低HB LED照明設(shè)計的技術(shù)障礙,，但與光輸出相比，仍有更多的電能轉(zhuǎn)化為要散發(fā)出去的熱量,。因此需要一個散熱管理的總體戰(zhàn)略,，以確保LED散發(fā)的熱量可控制為一個溫度的函數(shù)。
圖1中曲線顯示了1W LED的典型性能下降特性,。正如所期望的那樣,，這清楚地表明，被恒定電流驅(qū)動的LED在到達(dá)某一點后，該恒流需要線性地減少,，直到在150℃這一點上達(dá)到0,。恒流下降點和減小斜率取決于機(jī)械/散熱安排。
因此電子控制電路必須能夠處理觸發(fā)點設(shè)置和增益設(shè)置,。另外需要記住的很重要一點是,， 事實上LED需要能夠應(yīng)付三個潛在的散熱源：自發(fā)熱、環(huán)境溫度和LED電子控制,。如果LED照明采用的是遠(yuǎn)程電子控制,，那么這將不是一個問題，不過EMC可能是一個問題,。
如果我們再去翻教科書的話,，我們會發(fā)現(xiàn)控制LED的第一個和最明顯的方法是通過一個電阻,。雖然這是一個低成本的方法,，但它不可避免地會導(dǎo)致功率損耗，而這否定或削弱了LED的關(guān)鍵效率屬性,。
使用可變電阻作為調(diào)光元件的方法對HB LED來說也是不切實際的,，因為電阻上消耗的功率太大了，而且需要專用的繞線電阻,。舉例來說,，為了驅(qū)動一個1W LED，需要從12V電源產(chǎn)生350毫安電流,，在全亮度時,，約2.5W將被浪費在調(diào)光電阻上。而且如果電阻與LED的位置很接近,，該電阻產(chǎn)生的附加熱量將只會使散熱問題變得更加嚴(yán)重,。
當(dāng)然，導(dǎo)通元件也可以是晶體管,，這意味著功耗發(fā)生在晶體管,，而不是可變電阻上。這種方法通過生成對數(shù)響應(yīng),、以及用于熱控制和亮度定義的負(fù)(NTC)或正(PTC)溫度系數(shù)熱敏電阻,，提供了更多的靈活性。然后,，只要稍加一點想象力就可以很容易地想到用光反饋方法來進(jìn)行自動亮度控制,。
晶體管可采用任何類型：MOSFET、NPN雙極型或PNP雙極型,。令人驚訝的是,，一些更崇拜數(shù)字技術(shù)的工程師仍然認(rèn)為，MOSFET是這一應(yīng)用的更好選擇，因為它們的低導(dǎo)通電阻!但事實上,，不管你選擇什么類型的硅晶體管,，其線性功耗是一樣的。它仍是以熱形式表現(xiàn)出來的浪費的功率,，而且這一熱量需要設(shè)計師考慮如何散發(fā)出去,。
利用熱敏電阻的LED散熱控制的最簡單實現(xiàn)方法采用了一個PTC元件。這是一個熱復(fù)位保險絲,，它可以用來作為一個過流或過熱保護(hù)元件,，如果它緊靠LED安裝的話。這里需要考慮到安全因素,。
PTC元件提高了隨溫度增長的標(biāo)稱低電阻,，一直到其觸發(fā)點。因此,，它并不起隔離作用,。PTC是一個非線性元件，當(dāng)溫度升到約125℃時它會產(chǎn)生一個有效的開關(guān)動作,。但到達(dá)這一點以前,，溫度并不會以某種受控方式隨著LED電流降額曲線而減少。
此外,，LED照明策略會由于過溫情況而要求一個零光輸出嗎?LED的主要用途是照明而不是自我保護(hù),。過熱和降溫可能導(dǎo)致一個熱循環(huán)，而這將導(dǎo)致LED的低頻閃爍,。
NTC熱敏電阻的電阻值會隨著溫度產(chǎn)生連續(xù)的但非線性的變化,。隨溫度的變化值取決于特定NTC元件的β值，典型的數(shù)字是2700,、3590和4400,。標(biāo)稱電阻值通常指的是25℃下的數(shù)值，目前市面上的NTC熱敏電阻的電阻值從10歐姆到幾兆歐姆不等,。
與線性或開關(guān)穩(wěn)壓器一起使用時,，熱敏電阻通常用作控制元件。電阻隨溫度的變化值可以通過一個公式計算出來,，但通常以-40℃至150℃溫度范圍內(nèi)的一個電阻值表表達(dá)出來,。
表1：該表顯示了一個典型的10kΩ標(biāo)稱熱敏電阻在3個不同β值時的電阻值。
就如同在生活中常常發(fā)生的情況一樣,，熱敏電阻的非線性響應(yīng)在你希望它最敏感的區(qū)域常常只有最小的靈敏度,。在較低溫度下，電阻的變化要比在更高的溫度時更為顯著,。因此可以總結(jié)為,，β值越大,，隨著溫度的升高電阻下降得更快。見圖2所示,。通過并聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娮?，響?yīng)可以變得更線性。
圖2：熱敏電阻值隨溫度的典型變化圖
溫度傳感器的位置也非常重要,，因為它需要安裝在離LED的裸片盡可能近的地方,，以避免在LED溫度升高時的熱梯度和響應(yīng)延遲。
如果我們再回過去看第一部分的圖1,，很顯然,，必須更多地考慮溫度較低時的情況。如果熱敏電阻在控制電路中的作用是,，在溫度升高時降低電流,，那么它也有可能在溫度降低時提高電流。這可能會導(dǎo)致LED的瞬態(tài)過熱,，并使得結(jié)溫超過其額定值,。LED的自發(fā)熱問題可以自我控制的方法解決，但其隱含的熱應(yīng)力問題是我們不希望看到的,。因此更好的方法是采用一個鉗位配置,，以確保電流不會隨著溫度下降而繼續(xù)增加。
圖3顯示了一個典型的采用簡單熱控制的降壓穩(wěn)壓器例子,。它的優(yōu)勢是利用了Zetex半導(dǎo)體公司ZXLD1350的ADJ引腳。通過使用一個PNP晶體管作為發(fā)射極跟隨器和使用該引腳的內(nèi)部250kΩ電阻作為負(fù)載來過驅(qū)該引腳,，LED電流將與熱敏電阻成比例地下降,。隨著溫度下降，熱敏電阻的阻值增加,，但由于基準(zhǔn)(base)電壓增加超出了ADJ參考電壓,，該晶體管就會關(guān)閉，LED僅獲得其最高設(shè)置電流,，從而有效地鉗住低溫響應(yīng),。
圖3：采用簡單熱控制的降壓穩(wěn)壓器
匹配某一給定LED的熱降額曲線將取決于許多因素，就如前面所討論的一樣,。良好的熱模型將有助于第一次就完成匹配,，但也很可能需要一些試驗才能匹配觸發(fā)點(trip point)和增益系數(shù)。圖4顯示了采用圖3電路的一些測試結(jié)果,。
圖4：采用圖3電路的一些測試結(jié)果
應(yīng)當(dāng)指出的是,，如果圖3的熱控制電路靠近LED，那么晶體管將受到LED自發(fā)熱的影響,。這將增加約-2.2mVC的變暗效果,。
熱敏電阻或其它溫度傳感器也可以與PWM熱控制結(jié)合使用,。圖5顯示了一個簡單的框圖。
圖5：PWM熱控制框圖
亮度的PWM控制是許多高亮度LED制造商的首選方法,，這是因為它可使得LED在整個亮度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持其顏色特征,。這一點在RGB混色應(yīng)用中尤其重要。這是很難實現(xiàn)的,，但一般來說調(diào)光功能是比較受人歡迎的,，而且該技術(shù)也開始側(cè)重于微控制器接口實現(xiàn)。
PWM調(diào)光通常采用高于眼睛閃爍頻率100Hz的低頻率,。盡管設(shè)計者必須考慮該LED照明應(yīng)用是否是一個便攜式或固定應(yīng)用,，因為可能會發(fā)生的頻閃效應(yīng)要求采用更快的PWM頻率。這是針對移動車輛或甚至手電筒照明的考慮,。
如果PWM調(diào)光與一個開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用,，通常該技術(shù)用于快速調(diào)節(jié)LED電流。這將使EMI問題變得更加嚴(yán)重,。它也可能使EMI問題變得更好,，如果它有效地抖動開關(guān)頻率，從而可減少準(zhǔn)峰值EMI信號,。
這里也需要有音頻方面的考慮,。PWM頻率越高，開關(guān)穩(wěn)壓器電感在PWM調(diào)光頻率處共振的可能性就越高,。這在1kHz處將比100Hz更加明顯,，部分原因是電感的更差基底響應(yīng)和耳朵的頻率響應(yīng)。
盡管有所有這一切因素,，但PWM調(diào)光仍然能提供一個更好的亮度控制,。從模擬的而不是數(shù)字的角度來看，線性控制更容易實現(xiàn),。您可能需要考慮眼睛對亮度變化的對數(shù)響應(yīng),。這可能導(dǎo)致要求使用對數(shù)電位器以產(chǎn)生明顯的線性亮度控制。
結(jié)論
熱控制是高亮度LED控制的一個非常重要方面,。熱敏電阻的正確應(yīng)用提供了一個簡單和通用的LED溫度控制方法,。這可以通過線性技術(shù)或開關(guān)技術(shù)做到。PWM控制提供了最好的總體方法,，但必須小心考慮所有照明系統(tǒng)的要求,，而不只是光的要求。