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LED熱控制技術(shù)中散熱器的選擇

發(fā)布時(shí)間:2012.04.24

    通常我們采用高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小,熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中,由于極端的高溫環(huán)境,需要更高級別的保護,如通過(guò)電子散熱器及時(shí)散熱。

  熱折返是減少LED故障及避免因為過(guò)熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個(gè)與溫度成反比的信號,在設置溫度斷點(diǎn)后降低LED的電流。

      以下介紹兩個(gè)例子:一個(gè)100W路燈應用和一個(gè)12W的軍用手電筒應用。這兩個(gè)實(shí)例介紹了較為復雜的系統與較為簡(jiǎn)單的系統間的區別及各自的設計流程。
  背景
  在使用大功率LED的傳統照明應用中,需要大的散熱器來(lái)排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱,相反,它們通過(guò)半導體結點(diǎn)來(lái)傳導熱量。此傳導功率(PD)等于前向電壓(VF)和前向電流(IF)的乘積。
  PD=VF×IF
  為了保持一個(gè)安全的LED結點(diǎn)溫度,必須消除這個(gè)傳導功率。需要對系統中的熱阻抗進(jìn)行分析,才能在額定功率下定制一個(gè)散熱器以確保期望的熱特性 。
  一個(gè)典型的大功率LED將通過(guò)其器件、錫焊連接點(diǎn)、印刷電路板和散熱器來(lái)消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的模型,計算就相當簡(jiǎn)單。LED結點(diǎn)的功率耗散(PD),必須通過(guò)結點(diǎn)-環(huán)境的總熱阻(θJA)分配,這一點(diǎn)與電流通過(guò)電氣電阻時(shí)極其相像。

  由此產(chǎn)生的結點(diǎn)溫度(TJ)和環(huán)境溫度(TA)之間的溫度差(TJ-TA)等于一個(gè)電氣電壓(歐姆定律的熱當量):
  TJ-TA=PD×θJA
  θJA 指下列各值的總和。
  θJS:結點(diǎn)至錫焊點(diǎn)熱阻;
  θSH:錫焊點(diǎn)至散熱器熱阻;
  θHA:錫焊點(diǎn)至環(huán)境熱阻。
  θJS代表內部的LED熱阻,而θSH代表印刷電路板(PCB)電介質(zhì)和結點(diǎn)熱阻。 后,θHA代表散熱器熱阻,θJS值為L(cháng)ED制造商數據表中指定值,并且是一個(gè)簡(jiǎn)單的LED封裝函數。它可以在2~15℃/W的范圍內變化。假如從錫焊點(diǎn)到散熱器的連接良好(包括:多重熱導通孔,適量的銅,良好的焊接和可能用到的導熱膠),θSH則基本上EPS線(xiàn)條可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個(gè)小于2℃/W的極低θSH值。
  θHA保持不變,因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上(近似于LED的尺寸),沒(méi)有外部散熱器,僅有底部覆銅層,θHA值可能會(huì )非常大,超過(guò)100℃/W。通過(guò)圖1所示的外部散熱器,可降低熱阻來(lái)保持理想的溫度差 (TJ-TA)。熱設計需要根據下列θHA方程式,選擇合適的散熱器:

  通過(guò)該方程可以很容易算出,如果功率增加或允許的溫度差降低,那么必要的熱阻將隨之降低,而這相當于需要一個(gè)更大的散熱器。
  實(shí)際應用中 ,在系統使用壽命期內,由于存在前向電壓及其他電子偏差,輸出LED功率會(huì )增加5%~10%前向?赡艿臏囟壬仙秶韪鶕 差情況下預計的TA值計算。此外,在制造商規定的規格中,通常會(huì )降低 大允許的TJ值,以確保LED使用壽命和效率不會(huì )降低 。這些容差迫使我們提升 壞情況下的散熱設計標準,要比標定時(shí)提高25%~50%。
  LED驅動(dòng)器
  這些LED僅僅是具有LED驅動(dòng)器主控機制的動(dòng)態(tài)系統的組成之一。高亮度LED驅動(dòng)器通常是通過(guò)開(kāi)關(guān)轉換器支持其工作。轉換器對系統進(jìn)行調節以提供一個(gè)近似于恒定的LED光通量輸出。驅動(dòng)器可適應不斷變化的動(dòng)態(tài)情況,提供連續調節,保證系統電氣穩定性。在 常見(jiàn)的LED驅動(dòng)器中,需要對輸出電流進(jìn)行調節,因為它與輸出通量有著(zhù)密切的關(guān)系并易于做出調整。
 
  盡管電氣穩定性是控制方案的根本,但熱平衡是可控變量(LED電流)和不可控變量(環(huán)境)的函數。隨著(zhù)環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時(shí),LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調整,因此功率降低, 終達到實(shí)現結點(diǎn)熱平衡的目的。但 終環(huán)境溫度的升高會(huì )導致結溫超過(guò)LED的安全工作范圍。此時(shí),LED內的各種元件性能降低、惡化, 終導致熱逸散和災難性的LED故障。 每個(gè)LED制造商都提供了對應環(huán)境溫度變化的 大前向電流的特性曲線(xiàn)。如圖2所示的Cree XRE系列曲線(xiàn),該曲線(xiàn)標明了推薦的LED過(guò)溫安全工作范圍(SOA)。這個(gè)快速的參考鋁合金時(shí)效爐設計資料提供了多重θJA圖形。因為在數據表規定了θJS,而在運行良好的系統中可以忽略θSH,因此θHA是一個(gè)可控變量。對于給定的θHA,維持LED驅動(dòng)電流在限定范圍內,可防止LED在非安全狀態(tài)下運行時(shí)會(huì )出現的熱逸散和/或大幅的壽命衰減。

從圖2中不難看出大型散熱器會(huì )擴大LED的適用范圍。不過(guò),在一些LED應用中,高昂的散熱器成本及更大的散熱器體積令人望而卻步。對于此類(lèi)應用,為了實(shí)現散熱,需要良好的解決方案。
  比起針對每個(gè)規格設計一個(gè)大容差范圍的熱管理方案,設計師更愿意采用通用方案。這令LED驅動(dòng)器的應用成為可能。由于驅動(dòng)器會(huì )調節電流及功率,因此僅需對非安全運行狀態(tài)進(jìn)行檢測,并令驅動(dòng)器可以做出相應反應即可。
 
  熱折返
  考慮到制造商規定的前向電流額降,設計師現在能夠依靠LED驅動(dòng)器來(lái)提供有幫助的控制機構,從而對LED提供熱保護。由于多數新的LED驅動(dòng)器具有調光輸入,因此幾乎總有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)降低向LED的輸出電流。鑒于此,可以設計一個(gè)電路來(lái)檢測靠近LED的溫度。如果系統有良好的熱阻特點(diǎn),那么LED的結點(diǎn)溫度就能通過(guò)測量來(lái)內推。
  因此,LED驅動(dòng)器可以按照如圖3所示的電爐風(fēng)機廠(chǎng)需求來(lái)維持或降低調節電流。該圖可以改變,并且基本上與制造商的數據表規范相吻合,也可將其繪制的更保守一些。無(wú)論用什么方式,都要保護LED免受電流過(guò)剩與過(guò)熱的損害。特別是,可以依據所需減少對散熱器要求,因為 差條件導致的熱逸散能被去除。
熱折返可在許多方面應用。 常見(jiàn)和 簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)NTC(負溫度系數)熱敏電阻測量LED附近的溫度,如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個(gè)隨溫度降低而增大,隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設定值偏離基準電壓,并且底部電阻器是一個(gè)熱敏電阻,那么分電壓將隨溫度增加而降低。假如將該電壓鉗制在低于基準電壓的 大電壓上,那么對于一些上升至 大溫度斷點(diǎn)(TBK)的溫度范圍來(lái)說(shuō),該電壓就被固定為鉗位電壓。然而,對于高于TBK的溫度而言,電壓將下降,如圖3所示。這個(gè)電壓可以用來(lái)控制LED驅動(dòng)器的模擬調光輸入以實(shí)施基本熱折返。
 
 

  LED調光時(shí),折返圖形會(huì )有不同。由于標稱(chēng)LED電流水平(ILED-NOM)被降低為調光電流水平(ILED-DIM),可對折返圖加以修正以與新的溫度斷點(diǎn)(TBK-DIM)相適應。這擴大了LED使用的溫度范圍,如圖3所示?筛鶕煌骷,分步或連續完成。
  另外
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