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LED熱控制技術(shù)中散熱器的選擇
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(zāi)難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應(yīng)用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級別的保護(hù)，如通過電子散熱器及時散熱。
熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導(dǎo)致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設(shè)置溫度斷點后降低LED的電流。
以下介紹兩個例子：一個100W路燈應(yīng)用和一個12W的軍用手電筒應(yīng)用。這兩個實例介紹了較為復(fù)雜的系統(tǒng)與較為簡單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設(shè)計流程。
背景
在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應(yīng)用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導(dǎo)體結(jié)點來傳導(dǎo)熱量。此傳導(dǎo)功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。
PD=VF×IF
為了保持一個安全的LED結(jié)點溫度，必須消除這個傳導(dǎo)功率。需要對系統(tǒng)中的熱阻抗進(jìn)行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。
一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當(dāng)簡單。LED結(jié)點的功率耗散（PD），必須通過結(jié)點-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。
由此產(chǎn)生的結(jié)點溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個電氣電壓（歐姆定律的熱當(dāng)量）：
TJ-TA=PD×θJA
θJA 指下列各值的總和。
θJS：結(jié)點至錫焊點熱阻；
θSH：錫焊點至散熱器熱阻；
θHA：錫焊點至環(huán)境熱阻。
θJS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質(zhì)和結(jié)點熱阻。 后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為LED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好（包括：多重?zé)釋?dǎo)通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導(dǎo)熱膠），θSH則基本上EPS線條可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個小于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(dǎo)熱性能。在標(biāo)準(zhǔn)的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設(shè)計需要根據(jù)下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：
通過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(dāng)于需要一個更大的散熱器。
實際應(yīng)用中 ，在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向。可能的溫度上升范圍需根據(jù) 差情況下預(yù)計的TA值計算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會降低 大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升 壞情況下的散熱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要比標(biāo)定時提高25%~50%。
LED驅(qū)動器
這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動器主控機制的動態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動器可適應(yīng)不斷變化的動態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在 常見的LED驅(qū)動器中，需要對輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因為它與輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。
盡管電氣穩(wěn)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(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調(diào)整，因此功率降低， 終達(dá)到實現(xiàn)結(jié)點熱平衡的目的。但 終環(huán)境溫度的升高會導(dǎo)致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化， 終導(dǎo)致熱逸散和災(zāi)難性的LED故障。 每個LED制造商都提供了對應(yīng)環(huán)境溫度變化的 大前向電流的特性曲線。如圖2所示的Cree XRE系列曲線，該曲線標(biāo)明了推薦的LED過溫安全工作范圍（SOA）。這個快速的參考鋁合金時效爐設(shè)計資料提供了多重θJA圖形。因為在數(shù)據(jù)表規(guī)定了θJS，而在運行良好的系統(tǒng)中可以忽略θSH，因此θHA是一個可控變量。對于給定的θHA，維持LED驅(qū)動電流在限定范圍內(nèi)，可防止LED在非安全狀態(tài)下運行時會出現(xiàn)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擴大LED的適用范圍。不過，在一些LED應(yīng)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。對于此類應(yīng)用，為了實現(xiàn)散熱，需要良好的解決方案。
比起針對每個規(guī)格設(shè)計一個大容差范圍的熱管理方案，設(shè)計師更愿意采用通用方案。這令LED驅(qū)動器的應(yīng)用成為可能。由于驅(qū)動器會調(diào)節(jié)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(qū)動器可以做出相應(yīng)反應(yīng)即可。
熱折返
考慮到制造商規(guī)定的前向電流額降，設(shè)計師現(xiàn)在能夠依靠LED驅(qū)動器來提供有幫助的控制機構(gòu)，從而對LED提供熱保護(hù)。由于多數(shù)新的LED驅(qū)動器具有調(diào)光輸入，因此幾乎總有一個簡單的方法來降低向LED的輸出電流。鑒于此，可以設(shè)計一個電路來檢測靠近LED的溫度。如果系統(tǒng)有良好的熱阻特點，那么LED的結(jié)點溫度就能通過測量來內(nèi)推。
因此，LED驅(qū)動器可以按照如圖3所示的電爐風(fēng)機廠需求來維持或降低調(diào)節(jié)電流。該圖可以改變，并且基本上與制造商的數(shù)據(jù)表規(guī)范相吻合，也可將其繪制的更保守一些。無論用什么方式，都要保護(hù)LED免受電流過剩與過熱的損害。特別是，可以依據(jù)所需減少對散熱器要求，因為 差條件導(dǎo)致的熱逸散能被去除。
熱折返可在許多方面應(yīng)用。 常見和 簡單的方法是使用一個NTC（負(fù)溫度系數(shù)）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(shè)定值偏離基準(zhǔn)電壓，并且底部電阻器是一個熱敏電阻，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(zhǔn)電壓的 大電壓上，那么對于一些上升至 大溫度斷點（TBK）的溫度范圍來說，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。這個電壓可以用來控制LED驅(qū)動器的模擬調(diào)光輸入以實施基本熱折返。
LED調(diào)光時，折返圖形會有不同。由于標(biāo)稱LED電流水平（ILED-NOM）被降低為調(diào)光電流水平（ILED-DIM），可對折返圖加以修正以與新的溫度斷點（TBK-DIM）相適應(yīng)。這擴大了LED使用的溫度范圍，如圖3所示。可根據(jù)不同器件，分步或連續(xù)完成。
另外
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