- 大功率LED溫度補償原理
- 數字溫度傳感器配合驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
- DC-DC降壓LED驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
- 線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
與其它的燈源相比，大功率LED會(huì )產(chǎn)生嚴重的散熱問(wèn)題，這主要是因為L(cháng)ED不通過(guò)紅外輻射進(jìn)行散熱。一般而言，用于驅動(dòng)LED的功耗有75％～85％最終轉換為熱能，過(guò)多的熱量會(huì )減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色,加速LED老化。
因此，熱管理是LED系統設計最重要的一個(gè)方面。LED系統生產(chǎn)商通過(guò)尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導率外殼等來(lái)應對這一挑戰。但是，工程師們需要改變他們的理念，熱管理并不是機械設計師的專(zhuān)利，電子工程師同樣可以進(jìn)行熱管理設計。實(shí)踐證明，通過(guò)電路實(shí)現溫度補償功能進(jìn)行熱管理是一個(gè)既經(jīng)濟又可靠的方法。
溫度補償原理
一般而言，大功率LED的產(chǎn)品規格書(shū)中都會(huì )標明不同環(huán)境溫度（或LED焊點(diǎn)的溫度）下的最高容許輸出電流（如圖1）的曲線(xiàn)圖。當周?chē)鷾囟鹊陀诎踩珳囟赛c(diǎn)，輸出最高容許電流保持不變；當高于安全溫度點(diǎn)，輸出最高容許電流隨周?chē)鷾囟壬叨档?，即所謂的降額曲線(xiàn)。為確保LED的性能壽命不受影響，必須保證LED工作在降額曲線(xiàn)與橫、縱坐標軸所包絡(luò )的安全區內。
但是，目前大多數LED燈具生產(chǎn)商都將LED的驅動(dòng)電流設計為不隨溫度變化的恒流源，因此，當LED周?chē)鷾囟雀哂诎踩珳囟赛c(diǎn)時(shí)，工作電流就不在安全區內，這將導致LED的壽命遠低于規格書(shū)的數值甚至直接損壞。而LED周?chē)鷾囟冗^(guò)高是由LED自身發(fā)熱導致，目前有兩個(gè)辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題。
一種辦法是使用導熱性更好的散熱裝置，減小LED芯片至環(huán)境的熱阻，控制LED內部溫度不至比環(huán)境溫度高太多，但這需要較高的成本。此外，難以避免的問(wèn)題是，當散熱裝置使用一段時(shí)間后在燈體外殼的散熱片上沉積灰塵，以及鋁合金基敷銅板上連接銅層和鋁基板的介質(zhì)層老化脫膠都將導致熱阻較大幅度地上升，導致整體散熱性能下降。另一種辦法是使LED工作在安全區邊際，這樣既滿(mǎn)足在安全溫度點(diǎn)內輸出電流、輸出功率工作在額定狀態(tài)且恒定，而且在高于安全溫度點(diǎn)輸出電流按比例下降進(jìn)行負補償，保證LED使用壽命，這就是溫度補償的含義。
數字溫度傳感器配合驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
有些照明產(chǎn)品需要一些智能控制，如一些高級路燈的應用，這些系統往往使用單片機對整個(gè)系統進(jìn)行監視和控制。這時(shí)可利用原有的單片機控制系統加入溫度補償功能，即便在惡劣的環(huán)境下，如夏日曝曬，系統內的溫度仍能得到很好地控制。
為此類(lèi)系統驅動(dòng)單路LED串的示意圖。溫度檢測部分采用了矽恩微電子公司生產(chǎn)的高精度數字溫度傳感器SN1086，SN1086可以同時(shí)檢測芯片本身溫度，相當于間接檢測PCB溫度，又能檢測遠端三級管溫度，若將三極管與LED一同焊接在鋁基板上便可以檢測鋁基板溫度。
SN1086將檢測到的兩種溫度通過(guò)芯片內部的高精度DELta-SigmaADC進(jìn)行模數轉換，將溫度的數字結果通過(guò)I2C總線(xiàn)的SDA數據線(xiàn)和SCL時(shí)鐘線(xiàn)與單片機通信。當單片機接受到鋁基板溫度結果后與預設定的安全溫度點(diǎn)閾值進(jìn)行比對，當溫度過(guò)高時(shí)啟動(dòng)溫度補償程序，通過(guò)PWM1按比例降低LED驅動(dòng)器的輸出電流。單片機同時(shí)監控PCB板溫度，溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)PWM2信號線(xiàn)控制風(fēng)扇對PCB進(jìn)行散熱，確保板上的元器件尤其是電解電容的溫度不會(huì )過(guò)高。
這種系統控制極大增強了系統的穩定性，并保證整體系統的使用壽命，實(shí)踐證明系統內部溫度得到很好地控制，但硬件成本較高，適于中高端領(lǐng)域的應用。
DC-DC降壓LED驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
若能將溫度補償功能集成在芯片內部，這將極大降低使用成本和所占空間。SN3352正是為了這個(gè)目的而設計出來(lái)的芯片，SN3352是降壓型DC-DC恒流芯片，工作電壓范圍6~40V，輸出電流達700mA，溫度補償未啟動(dòng)時(shí)恒流性能優(yōu)良，適用于驅動(dòng)串聯(lián)的1W或者3WLED燈。
SN3352具備調光功能，通過(guò)改變ADJI引腳的模擬電壓或者對此引腳施加PWM信號都能實(shí)現調光功能。SN3352內部集成了矽恩微電子自有專(zhuān)利技術(shù)的溫度補償電路，溫度補償功能需要外接一個(gè)普通電阻Rth用于設置溫度補償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth和一個(gè)檢測溫度的負溫度系數熱敏電阻Rntc配合實(shí)現。
SN3352通過(guò)RNTC引腳不斷測量與LED焊接在同一塊鋁基板的熱敏電阻Rntc阻值，隨著(zhù)LED鋁基板溫度上升，當熱敏電阻的阻值低至與連接在RTH引腳上的普通電阻Rth阻值相等時(shí)，溫度補償功能啟動(dòng)，輸出電流將會(huì )自動(dòng)隨溫度升高而降低，由此可見(jiàn)，溫度補償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth可以通過(guò)改變Rth阻值進(jìn)行更改。而電流隨溫度降低的斜率可以通過(guò)選擇不同B常數的熱敏電阻來(lái)決定。
輸出電流的公式如下：
當Rntc>Rth時(shí)，溫度補償未啟動(dòng)，輸出電流保持不變，大小由設置電流電阻Rs和ADJI引腳電壓決定：
其中：VADJI為調光引腳ADJI引腳的電壓，單位V，調光范圍0.3V~1.2V，懸空時(shí)電壓為1.2V；
當Rntc其中：R25為熱敏電阻在25oC下的阻值，B為熱敏電阻的B常數，熱敏電阻特性主要由這兩個(gè)參數決定；
根據輸出補償電流的結果對不同的溫度做一組電流曲線(xiàn)，不難得出,即便把溫度補償啟動(dòng)的溫度點(diǎn)Tth設置在較高溫度,如100oC以上，電流隨溫度降低的斜率仍然保持較高斜率。這區別于目前市面上其他的溫度補償方案，這些方案在較低溫度保持較大的補償斜率，而在較高溫度補償斜率大幅下降，這有悖于LED降額曲線(xiàn)在高溫斜率更加大的事實(shí)。因此SN3352在高溫仍然保持大的補償斜率可以滿(mǎn)足絕大多數LED降額曲線(xiàn)的補償斜率，保證LED工作在安全區內。
此外，SN3352還具備級聯(lián)功能，每個(gè)芯片的ADJO引腳連接下一級芯片的ADJI引腳，將帶有溫度補償信息的電壓由前一級芯片的ADJO引腳輸出到下一級芯片的ADJI引腳。每個(gè)ADJO引腳最多可以驅動(dòng)5個(gè)ADJI引腳。因此，只需要一個(gè)熱敏電阻就能讓整個(gè)系統共享溫度補償功能，當溫度補償啟動(dòng)時(shí)，接入SN3352系統中所有的LED都會(huì )隨溫度上升而下降。
應用SN3352的溫度補償的時(shí)候，可以使用矽恩微電子的SN3352應用仿真程序，輸入熱敏電阻的參數和Tth值后，程序自動(dòng)計算出Rth選值和生成補償曲線(xiàn)，圖4即為此程序生成。在布線(xiàn)方面，為了不拾取電路噪音，RTH引腳和Rth電阻的連接導線(xiàn)應盡量短，而由于連接RNTC引腳至熱敏電阻Rntc的連線(xiàn)經(jīng)常需要較長(cháng)的導線(xiàn)至鋁基板，因此緊靠芯片RNTC引腳需要有旁路電容對地濾除雜波，一般而言0.1?F貼片電容即可。
另一款具備溫度補償功能的SN3910主要用于高壓領(lǐng)域的降壓型DC-DC恒流芯片，全電壓范圍輸入，外置高壓MOS管，輸出電流達700mA,芯片工作在恒定關(guān)斷時(shí)間模式，具有優(yōu)良的線(xiàn)電壓調整率。這款芯片主要用于日光燈方案和其他市電直接接入的方案。矽恩微電子將根據不同客戶(hù)的應用方案和溫度補償要求提供與之配套的應用電路、BOM表和布板建議，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器實(shí)現溫度補償
另一款具備溫度補償功能的LED線(xiàn)性恒流源驅動(dòng)器是SN3118，其輸出電流可由外接電阻編程，適合20mA~200mA的低電流LED應用。SN3118工作電壓6V~30V，四個(gè)支路電流之間匹配度±5%以?xún)?，每路最大電流能力達175mA，工作時(shí)無(wú)EMI問(wèn)題。電路中同樣使用一個(gè)普通電阻和負溫度系數的熱敏電阻實(shí)現溫度補償，當熱敏電阻阻值下降至普通電阻阻值時(shí)，溫度補償啟動(dòng)。
溫度補償功能以其低成本、高可靠性兼顧了LED壽命和輸出功率，不會(huì )因為環(huán)境惡劣或是散熱裝置異常、老化而使得LED性能和壽命受到影響。矽恩微電子的LED驅動(dòng)IC產(chǎn)品覆蓋各種應用領(lǐng)域，擁有先進(jìn)的溫度補償技術(shù)，可為客戶(hù)量身定做方案。
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