高亮度LED照明设计的散热考虑

/和白炽灯钨丝灯泡不同，高功率LED不辐射热量。和之相反，LED将其PN结的热量传导到LED封装的散热金属小块上。由于LED产生的热量采纳传导方式散发，因此这些热量须要一个更长、更昂贵的路径才能完全散发到空气中去。目前HBLED通用照明的一个最大商业化障碍就是其散热问题，因此能否彻底有效地解决这问题可以说是赢得客户的关键。本文将为你共享Zetex的LED照明专家在解决散热问题时的独到阅历。在快速发展的LED照明设计中，大多数人将留意力集中在高亮度（HB）LED的调光限制策略上。不过，HBLED照明应用的本质要求我们将更多的留意力转移到散热限制上。虽然LED制造商通过大幅提高每瓦的流明数正在降低HBLED照明设计的技术障碍，但和光输出相比，仍有更多的电能转化为要散发出去的热量。因此须要一个散热管理的总体战略，以确保LED散发的热量可限制为一个温度的函数。图1中曲线显示了1WLED的典型性能下降特性。正如所期望的那样，这清晰地表明，被恒定电流驱动的LED在到达某一点后，该恒流须要线性地削减，直到在150℃这一点上达到0。恒流下降点和减小斜率取决于机械/散热支配因此电子限制电路必需能够处理触发点设置和增益设置。另外须要记住的很重要一点是，事实上LED须要能够应付三个潜在的散热源：自发热、环境温度和LED电子限制。假如LED照明采纳的是远程电子限制，那么这将不是一个问题，不过EMC可能是一个问题。本文其次部分将探讨如何对HBLED进行线性限制，敬请留意。在第一部分的探讨中,我们介绍了HBLED照明设计必需兼顾考虑三个主要散热源(自发热、环境温度和LED电子限制)来制订一个总体的散热策略，下面我们探讨如何对HBLED进行线性限制。假如我们再去翻教科书的话，我们会发觉限制LED的第一个和最明显的方法是通过一个电阻。虽然这是一个低成本的方法，但它不行避开地会导致功率损耗，而这否定或减弱了LED的关键效率属性。运用可变电阻作为调光元件的方法对HBLED来说也是不切实际的，因为电阻上消耗的功率太大了，而且须要专用的绕线电阻。举例来说，为了驱动一个1WLED，须要从12V电源产生350毫安电流，在全亮度时，约2.5W将被奢侈在调光电阻上。而且假如电阻和LED的位置很接近，该电阻产生的附加热量将只会使散热问题变得更加严峻。当然，导通元件也可以是晶体管，这意味着功耗发生在晶体管，而不是可变电阻上。这种方法通过生成对数响应、以及用于热限制和亮度定义的负（NTC）或正（PTC）温度系数热敏电阻，供应了更多的敏捷性。然后，只要稍加一点想象力就可以很简洁地想到用光反馈方法来进行自动亮度限制。晶体管可采纳任何类型：MOSFET、NPN双极型或PNP双极型。令人惊异的是，一些更崇拜数字技术的工程师仍旧认为，MOSFET是这一应用的更好选择，因为它们的低导通电阻！但事实上，不管你选择什么类型的硅晶体管，其线性功耗是一样的。它仍是以热形式表现出来的奢侈的功率，而且这一热量须要设计师考虑如何散发出去。在接下来的第三部分中，我们将接着探讨如何利用热敏电阻进行LED散热限制，敬请留意。在其次部分的探讨中,我们介绍了探讨如何对HBLED进行线性限制，下面我们将接着探讨如何利用热敏电阻进行LED散热限制。利用热敏电阻的LED散热限制的最简洁实现方法采纳了一个PTC元件。这是一个热复位保险丝，它可以用来作为一个过流或过热爱护元件，假如它紧靠LED安装的话。这里须要考虑到平安因素。PTC元件提高了随温度增长的标称低电阻，始终到其触发点。因此，它并不起隔离作用。PTC是一个非线性元件，当温度升到约125℃时它会产生一个有效的开关动作。但到达这一点以前，温度并不会以某种受控方式随著LED电流降额曲线而削减此外，LED照明策略会由于过温状况而要求一个零光输出吗？LED的主要用途是照明而不是自我爱护。过热和降温可能导致一个热循环，而这将导致LED的低频闪耀。NTC热敏电阻的电阻值会随著温度产生连续的但非线性的改变。随温度的改变值取决于特定NTC元件的β值，典型的数字是2700、3590和4400。标称电阻值通常指的是25℃和线性或开关稳压器一起运用时，热敏电阻通常用作限制元件。电阻随温度的改变值可以通过一个公式计算出来，但通常以-40℃至150

表1：该表显示了一个典型的10kΩ标称热敏电阻在3个不同β值时的电阻值。点击查看大图就犹如在生活中经常发生的状况一样，热敏电阻的非线性响应在你希望它最敏感的区域经常只有最小的灵敏度。在较低温度下，电阻的改变要比在更高的温度时更为显著。因此可以总结为，β值越大，随着温度的上升电阻下降得更快。见图2所示。通过并联一个适当的电阻，响应可以变得更线性。

图2：热敏电阻值随温度的典型改变图温度传感器的位置也特别重要，因为它须要安装在离LED的裸片尽可能近的地方，以避开在LED温度上升时的热梯度和响应延迟。假如我们再回过去看第一部分的图1，很明显，必需更多地考虑温度较低时的状况。假如热敏电阻在限制电路中的作用是，在温度上升时降低电流，那么它也有可能在温度降低时提高电流。这可能会导致LED的瞬态过热，并使得结温超过其额定值。LED的自发热问题可以自我限制的方法解决，但其隐含的热应力问题是我们不希望看到的。因此更好的方法是采纳一个钳位配置，以确保电流不会随著温度下降而接着增加。在接下来的第四部分中，我们将接着探讨如何利用一个开关稳压器对热敏电阻进行限制，敬请留意。在第三部分的探讨中,我们介绍了如何利用热敏电阻进行LED散热限制，下面我们将接着探讨如何利用一个开关稳压器对热敏电阻进行限制。图3显示了一个典型的采纳简洁热限制的降压稳压器例子。它的优势是利用了Zetex半导体公司ZXLD1350的ADJ引脚。通过运用一个PNP晶体管作为放射极跟随器和运用该引脚的内部250kΩ电阻作为负载来过驱该引脚，LED电流将和热敏电阻成比例地下降。随着温度下降，热敏电阻的阻值增加，但由于基准(base)电压增加超出了ADJ参考电压，该晶体管就会关闭，LED仅获得其最高设置电流，从而有效地钳住低温响应。

图3：采纳简洁热限制的降压稳压器点击查看大图匹配某一给定LED的热降额曲线将取决于很多因素，就如前面所探讨的一样。良好的热模型将有助于第一次就完成匹配，但也很可能须要一些试验才能匹配触发点(trippoint)和增益系数。图4显示了采纳图3电路的一些测试结果。

图4：采纳图3电路的一些测试结果应当指出的是，假如图3的热限制电路靠近LED，那么晶体管将受到LED自发热的影响。这将增加约-2.2mVC的变暗效果。在最终的第五部分中，我们将接着探讨如何实现PWM热限制，敬请留意。在第四部分的探讨中,我们介绍了如何利用一个开关稳压器对热敏电阻进行限制，下面我们将接着探讨如何实现PWM热限制。热敏电阻或其它温度传感器也可以和PWM热限制结合运用。图5显示了一个简洁的框图。

图5：PWM热限制框图亮度的PWM限制是很多高亮度LED制造商的首选方法，这是因为它可使得LED在整个亮度调整范围内保持其颜色特征。这一点在RGB混色应用中尤其重要。这是很难实现的，但一般来说调光功能是比较受人欢迎的，而且该技术也起先侧重于微限制器接口实现。PWM调光通常采纳高于眼睛闪耀频率100Hz的低频率。尽管设计者必需考虑该LED照明应用是否是一个便携式或固定应用，因为可能会发生的频闪效应要求采纳更快的PWM频率。这是针对移动车辆或甚至手电筒照明的考虑。假如PWM调光和一个开关稳压器协作运用，通常该技术用于快速调整LED电流。这将使EMI问题变得更加严峻。它也可能使EMI问题变得更好，假如它有效地抖动开关频率，从而可削减准峰值EMI信号。这里也须要有音频方面的考虑。PWM频率越高，开关稳压器电感在PWM调光频率处共振的可能性就越高。这在1kHz处将比100Hz更加明显，部分缘由是电感的更差基底响应和耳朵的频率响应。尽管有全部这一切因素，但PWM调光仍旧能供应一个更好的亮度限制。从模拟的而不是数字的角