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LED电源大功率产品的温度补偿设计

2013-12-23 11:56
小鱼时代
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  与其它的灯源相比,大功率LED会产生严重的散热问题,这主要是因为LED不通过红外辐射进行散热。一般而言,用于驱动LED的功耗有75%~85%最终转换为热能,过多的热量会减少LED的光输出和产生偏色,加速LED老化。

  因此,热管理是LED系统设计最重要的一个方面。LED系统生产商通过寻求优化的散热器、高效印制电路板、高热导率外壳等来应对这一挑战。但是,工程师们需要改变他们的理念,热管理并不是机械设计师的专利,电子工程师同样可以进行热管理设计。实践证明,通过电路实现温度补偿功能进行热管理是一个既经济又可靠的方法。

  温度补偿原理

  一般而言,大功率LED的产品规格书中都会标明不同环境温度(或LED焊点的温度)下的最高容许输出电流(如图1)的曲线图。当周围温度低于安全温度点,输出最高容许电流保持不变;当高于安全温度点,输出最高容许电流随周围温度升高而降低,即所谓的降额曲线。为确保LED的性能寿命不受影响,必须保证LED工作在降额曲线与横、纵坐标轴所包络的安全区内。

  但是,目前大多数LED灯具生产商都将LED的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源,因此,当LED周围温度高于安全温度点时,工作电流就不在安全区内,这将导致LED的寿命远低于规格书的数值甚至直接损坏。而LED周围温度过高是由LED自身发热导致,目前有两个办法可以解决这个问题。

  一种办法是使用导热性更好的散热装置,减小LED芯片至环境的热阻,控制LED内部温度不至比环境温度高太多,但这需要较高的成本。此外,难以避免的问题是,当散热装置使用一段时间后在灯体外壳的散热片上沉积灰尘,以及铝合金基敷铜板上连接铜层和铝基板的介质层老化脱胶都将导致热阻较大幅度地上升,导致整体散热性能下降。另一种办法是使LED工作在安全区边际,这样既满足在安全温度点内输出电流、输出功率工作在额定状态且恒定,而且在高于安全温度点输出电流按比例下降进行负补偿,保证LED使用寿命,这就是温度补偿的含义。

  数字温度传感器配合驱动器实现温度补偿

  有些照明产品需要一些智能控制,如一些高级路灯的应用,这些系统往往使用单片机对整个系统进行监视和控制。这时可利用原有的单片机控制系统加入温度补偿功能,即便在恶劣的环境下,如夏日曝晒,系统内的温度仍能得到很好地控制。

  为此类系统驱动单路LED串的示意图。温度检测部分采用了矽恩微电子公司生产的高精度数字温度传感器SN1086,SN1086可以同时检测芯片本身温度,相当于间接检测PCB温度,又能检测远端三级管温度,若将三极管与LED一同焊接在铝基板上便可以检测铝基板温度。

  SN1086将检测到的两种温度通过芯片内部的高精度DELta-SigmaADC进行模数转换,将温度的数字结果通过I2C总线的SDA数据线和SCL时钟线与单片机通信。当单片机接受到铝基板温度结果后与预设定的安全温度点阈值进行比对,当温度过高时启动温度补偿程序,通过PWM1按比例降低LED驱动器的输出电流。单片机同时监控PCB板温度,温度过高时通过PWM2信号线控制风扇对PCB进行散热,确保板上的元器件尤其是电解电容的温度不会过高。

  这种系统控制极大增强了系统的稳定性,并保证整体系统的使用寿命,实践证明系统内部温度得到很好地控制,但硬件成本较高,适于中高端领域的应用。

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