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LED热管理中散热器的选择

晨怡热管 2011-12-7 3:18:11
      当高亮度LED的前向电流增加而封装尺寸减小,热逸散及灾难性故障的潜在也随之增加。在众多LED应用中,由于极端的高温环境,需要更高级别的保护。

  热折返是减少LED故障及避免因为过热而导致LED寿命缩短的常用方法。这种控制方法使用一个与温度成反比的信号,在设置温度断点后降低LED的电流。

以下介绍两个例子:一个100W路灯应用和一个12W的军用手电筒应用。这两个实例介绍了较为复杂的系统与较为简单的系统间的区别及各自的设计流程。

  背景

  在使用大功率LED的传统照明应用中,需要大的散热器来排出LED所释放的热量。LED自身不散热,相反,它们通过半导体结点来传导热量。此传导功率(PD)等于前向电压(VF)和前向电流(IF)的乘积。

  PD=VF×IF

  为了保持一个安全的LED结点温度,必须消除这个传导功率。需要对系统中的热阻抗进行分析,才能在额定功率下定制一个散热器以确保期望的热特性 。

  一个典型的大功率LED将通过其器件、锡焊连接点、印刷电路板和散热器来消耗大部分功率。如图1所示。使用这个简单的模型,计算就相当简单。LED结点的功率耗散(PD),必须通过结点-环境的总热阻(θJA)分配,这一点与电流通过电气电阻时极其相像。

  由此产生的结点温度(TJ)和环境温度(TA)之间的温度差(TJ-TA)等于一个电气电压(欧姆定律的热当量):

  TJ-TA=PD×θJA

  θJA 指下列各值的总和。

  θJS:结点至锡焊点热阻;

  θSH:锡焊点至散热器热阻;

  θHA:锡焊点至环境热阻。

  θJS代表内部的LED热阻,而θSH代表印刷电路板(PCB)电介质和结点热阻。最后,θHA代表散热器热阻,θJS值为LED制造商数据表中指定值,并且是一个简单的LED封装函数。它可以在2~15℃/W的范围内变化。假如从锡焊点到散热器的连接良好(包括:多重热导通孔,适量的铜,良好的焊接和可能用到的导热胶),θSH则基本上可以忽略不计。这将产生一个小于2℃/W的极低θSH值。

  θHA保持不变,因为它更多地取决于散热器表面积及其导热性能。在标准的FR4印刷电路板上(近似于LED的尺寸),没有外部散热器,仅有底部覆铜层,θHA值可能会非常大,超过100℃/W。通过图1所示的外部散热器,可降低热阻来保持理想的温度差 (TJ-TA)。热设计需要根据下列θHA方程式,选择合适的散热器:

  通过该方程可以很容易算出,如果功率增加或允许的温度差降低,那么必要的热阻将随之降低,而这相当于需要一个更大的散热器。

  实际应用中 ,在系统使用寿命期内,由于存在前向电压及其他电子偏差,输出LED功率会增加5%~10%前向。可能的温度上升范围需根据最差情况下预计的TA值计算。此外,在制造商规定的规格中,通常会降低最大允许的TJ值,以确保LED使用寿命和效率不会降低 。这些容差迫使我们提升最坏情况下的散热设计标准,要比标定时提高25%~50%。

  LED驱动器

  这些LED仅仅是具有LED驱动器主控机制的动态系统的组成之一。高亮度LED驱动器通常是通过开关转换器支持其工作。转换器对系统进行调节以提供一个近似于恒定的LED光通量输出。驱动器可适应不断变化的动态情况,提供连续调节,保证系统电气稳定性。在最常见的LED驱动器中,需要对输出电流进行调节,因为它与输出通量有着密切的关系并易于做出调整。

  尽管电气稳定性是控制方案的根本,但热平衡是可控变量(LED电流)和不可控变量(环境)的函数。随着环境温度从25℃的室温增高时,LED的前向电压降低。因为电流被不断调整,因此功率降低,最终达到实现结点热平衡的目的。但最终环境温度的升高会导致结温超过LED的安全工作范围。此时,LED内的各种元件性能降低、恶化,最终导致热逸散和灾难性的LED故障。

  每个LED制造商都提供了对应环境温度变化的最大前向电流的特性曲线。如图2所示的Cree XRE系列曲线,该曲线标明了推荐的LED过温安全工作范围(SOA)。这个快速的参考设计资料提供了多重θJA图形。因为在数据表规定了θJS,而在运行良好的系统中可以忽略θSH,因此θHA是一个可控变量。对于给定的θHA,维持LED驱动电流在限定范围内,可防止LED在非安全状态下运行时会出现的热逸散和/或大幅的寿命衰减。

从图2中不难看出大型散热器会扩大LED的适用范围。不过,在一些LED应用中,高昂的散热器成本及更大的散热器体积令人望而却步。对于此类应用,为了实现散热,需要良好的解决方案。

  比起针对每个规格设计一个大容差范围的热管理方案,设计师更愿意采用通用方案。这令LED驱动器的应用成为可能。由于驱动器会调节电流及功率,因此仅需对非安全运行状态进行检测,并令驱动器可以做出相应反应即可。

  热折返

  考虑到制造商规定的前向电流额降,设计师现在能够依靠LED驱动器来提供有帮助的控制机构,从而对LED提供热保护。由于多数新的LED驱动器具有调光输入,因此几乎总有一个简单的方法来降低向LED的输出电流。鉴于此,可以设计一个电路来检测靠近LED的温度。如果系统有良好的热阻特点,那么LED的结点温度就能通过测量来内推。

  因此,LED驱动器可以按照如图3所示的需求来维持或降低调节电流。该图可以改变,并且基本上与制造商的数据表规范相吻合,也可将其绘制的更保守一些。无论用什么方式,都要保护LED免受电流过剩与过热的损害。特别是,可以依据所需减少对散热器要求,因为最差条件导致的热逸散能被去除。

热折返可在许多方面应用。最常见和最简单的方法是使用一个NTC(负温度系数)热敏电阻测量LED附近的温度,如图4所示。NTC热敏电阻是一个随温度降低而增大,随温度增大而减小的电阻。如果电阻分压器设定值偏离基准电压,并且底部电阻器是一个热敏电阻,那么分电压将随温度增加而降低。假如将该电压钳制在低于基准电压的最大电压上,那么对于一些上升至最大温度断点(TBK)的温度范围来说,该电压就被固定为钳位电压。然而,对于高于TBK的温度而言,电压将下降,如图3所示。这个电压可以用来控制LED驱动器的模拟调光输入以实施基本热折返。

 

  LED调光时,折返图形会有不同。由于标称LED电流水平(ILED-NOM)被降低为调光电流水平(ILED-DIM),可对折返图加以修正以与新的温度断点(TBK-DIM)相适应。这扩大了LED使用的温度范围,如图3所示。可根据不同器件,分步或连续完成。

  另外一个变体是额外的最小LED电流(ILED-MIN)钳制,用来防止LED电流为零,同见图3。有许多应用中,终端用户出于安全原因,不想要成套的热折返。而使用这个特性,最小需求电流钳制可以允许系统不受安全运行范围约束。然而,就这一点而言,用户情愿以缩短使用寿命为代价来换取短期功能。

  路灯举例

  一个标准的路灯暴露于苛刻的环境条件中,且在整个使用寿命期间,由于各种原因,机械散热器的性能可能会降低。这种性能的降低极大地增加了总热阻θJA,而且最终将导致更高的LED结点温度从而缩减使用寿命。为满足市政设施关于使用寿命的要求,在路灯中热折返几乎总是必要的。

  图5所示为一个100W的路灯应用。前端交流-直流转换器获得一个120V交流电输入,然后将其转换为35V直流输入。第二阶段是一个LM3409恒流降压型LED驱动器,负载为6串并联,其中每串串联8只LED;每串驱动电流为700mA。

  LM3409用简单的磁滞控制方法调节电流。在主开关(Q1)接通期间,电感器电流斜升至由IADJ引脚设置的峰值电流阈值。一旦达到该阈值,Q1关断并且电感器电流斜降,直到程控关断计时器停止。关断计时器的程控是通过来自输出电压的RC实施的。这使得计时器与输出电压成正比,结果导致电感器电流纹波和随后的原本恒定的LED电流纹波超越运行范围。

在IADJ上降低电压(从1.24V降至0V),平均LED电流的持续模拟调光能够很容易实施。假如IADJ的电压达到或高于1.24V,那么应调整LED的最大标称电流。当IADJ引脚电压降至1.24V时,电流开始调光,对执行热折返提供了一个极好的方法。

  该应用中的热折返电路比以前描述的更加基本化,仅利用一个IADJ附加的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的阻值将高于250kΩ(IADJ大于1.24V),直到温度达到要求的断点。然后作为NTC的一个功能,电阻降低,同时分别降低了IADJ的电压和LED电流。

  应该注意的是NTC从电阻到温度的转换功能是非线性的。这种非线性延长了出现真正零电流的边界点温度(TEND)。在路灯应用中,热折返的线性不属于最高等级。事实上路灯的寿命结束时间通常规定为其亮度降至初始亮度的70%时;因此,精确的热折返图对于路灯设计人员来讲根本没有意义。也就是说,如果需要的话,一个精密的温度传感器就能很容易地用于更为线性的热折返图绘制。

  手电筒举例

  图6所示为一个使用LM3424的较复杂的热折返器件。这个应用是一个由LM3424组成的15W调光军用手电筒,该LM3424控制6个串联LED,驱动电流为700mA,电池电压为9V。因为在调光时,串电压发生变化,从24V到低于9V,所以多重拓扑结构LM3424用作一个降压-升压控制器。需进行LED模拟调光以对其简洁性、大小和成本进行评估。

LM3424热折返器件图

  LM3424用传统的误差信号放大器调节闭合环路中的输出电流。在LED组件顶端对LED平均电流区别检测。主开关(Q1)的占空比动态上得以改变,以确保可随时进行调整。

  LM3424具有一个集成在芯片上的完全可编程热折返电路。折返断点由电阻分压器按照TREF进行设置,内部基准电压3V(VS)。温度传感是使用传感器或NTC分压器在TSENSE的情况下实施的。当TSENSE电压降低至预定TREF电压时,电路开始根据图7所示对LED进行调光。热折返的斜率可由安装在TGAIN到GND之间的电阻(RGAIN)设定。假如使用一个精密的温度传感器,例如LM94022,可以获得一个高级的线性图。

  可以加装基准电压VS外置齐纳管钳制装置以设定最小所需电流,如图3所示。在将给定温度值的特定LED的亮度输出最大化的同时,这个高度可控热折返也使手电筒使用寿命最大化。

  手电筒应用中另一个有用的特征是调光与热折返的组合。由于二者都使用热折返电路,因此可以通过几种方式进行组合。NTC分压器直接连接至TSENSE,而调光分压器则与二极管连接。如图6所示。这种连接保证了TBK随调光等级而移动,所以使得任意调光等级的有效温度范围达到最大。

  散热器对比

  最后,在手电筒应用中将使用和不使用热折返做一个比对。在手电筒应用中,这些LED靠得非常近形成一个LED。假定,θSH和θJS小于θHA,计算可简单化为:

  无热折返,输出功率要提高5%以随时调整偏离值。同时,温度差降低,占最差情况下环境温度的25%,还要考虑有益的SOA裕量。因此,θHA的值将比使用热折返的应用小70%。这就是说,散热器尺寸大小与成本要增加30%。在LED应用中,散热器为最大成本之一,在手电筒应用中使用热折返是非常有价值的。

  结论

  LED技术的优势在于使用寿命长,可靠性高和性能优于其他照明技术,而这些优势的实现需要热控制技术的支持,所以要确保这项技术得以顺利发展而不会受到意外情况的阻碍。

责任编辑: banye 参与评论
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