高亮度LED照明设计的散热考虑

与白炽灯泡不同，大功率发光二极管不散热。相反，发光二极管将其PN结的热量传导到发光二极管封装的散热金属块。由于发光二极管产生的热量是通过传导散发的，因此需要更长、更昂贵的路径才能完全散发到空气中。目前，血红蛋白发光二极管普通照明商业化的最大障碍之一是散热。因此，能否彻底有效地解决这个问题是赢得客户的关键。本文将与您分享泽特的发光二极管照明专家在解决散热问题的独特经验。在快速发展的发光二极管照明设计中，大部分人关注的是高亮度发光二极管的调光控制策略。然而，高亮度发光二极管照明应用的本质要求我们更加关注散热控制。尽管发光二极管制造商正在通过大幅提高每瓦流明来减少高亮度发光二极管照明设计的技术障碍，但更多的电能仍会转化为热量，而不是光输出。因此，需要一个散热管理的整体策略来确保由发光二极管发出的热量可以作为温度的函数来控制。图1中曲线显示了1W发光二极管的典型性能退化特性。正如所预期的，这清楚地表明，在由恒定电流驱动的发光二极管达到某一点之后，恒定电流需要线性减小，直到在150达到0。C.恒定电流下降点和下降斜率取决于机械/散热装置。因此，电子控制电路必须能够处理触发点设置和增益设置。此外，重要的是要记住，事实上，发光二极管需要能够应对三种潜在的散热源：自热、环境温度和发光二极管电子控制。如果发光二极管照明使用远程电子控制，这不会是一个问题，但电磁兼容性可能是一个问题。本文的第二部分将讨论如何线性控制高亮度发光二极管，请注意。在讨论的第一部分，我们介绍了高亮度发光二极管照明设计必须考虑三个主要散热源(自热、环境温度和发光二极管电子控制)来制定一个整体散热策略。接下来，我们讨论了如何线性控制高亮度发光二极管。如果我们再看一遍教科书，我们会发现控制发光二极管的第一个也是最明显的方法是通过一个电阻。虽然这是一种低成本的方法，但它不可避免地会导致功率损失，从而否定或削弱发光二极管的关键效率属性。使用可变电阻器作为调光元件的方法对于高亮度发光二极管也是不切实际的，因为电阻器消耗的功率太大，并且需要特殊的绕组电阻器。例如，为了驱动1W发光二极管，需要从12V电源产生350毫安的电流。在全亮度时，约2.5瓦将浪费在调光电阻器上。此外，如果电阻器的位置非常接近发光二极管的位置，电阻器产生的额外热量只会使散热问题更加严重。当然，导电元件也可以是晶体管，这意味着功耗发生在晶体管中，而不是可变电阻器中。该方法通过生成对数响应和负温度系数或正温度系数热敏电阻来进行热控制和亮度定义，从而提供了更大的灵活性。然后，稍加想象，就很容易想到使用光反馈方法来进行自动亮度控制。晶体管可以是任何类型的：金属氧化物半导体场效应晶体管，双极晶体管或双极晶体管。令人惊讶的是，一些欣赏数字技术的工程师仍然认为，由于其低导通电阻，金属氧化物半导体场效应晶体管是更好的选择。但事实上，不管你选择哪种类型的硅晶体管，它的线性功耗是一样的。热量仍然是一种能量的浪费，这种热量需要设计者考虑如何分配。在下一个第三部分中，我们将继续讨论如何使用热敏电阻进行发光二极管散热控制，请注意。在讨论的第二部分，我们介绍并讨论了如何线性控制高亮度发光二极管。接下来，我们将继续讨论如何使用热敏电阻来控制发光二极管的散热。使用热敏电阻的发光二极管散热控制的最简单的实现方法是使用一个正温度系数元件。这是一个热复位保险丝，如果安装在靠近发光二极管的位置，可以用作过电流或过热保护元件。这里需要考虑安全因素。PTC元件随着温度升高到其触发点而增加标称低电阻。因此，它不具有隔离效果。正温度系数是一个非线性元素。当温度升至约125时，它将产生有效的开关作用。然而，在达到这一点之前，温度不会随着发光二极管电流降额曲线以受控方式降低。此外，由于温度过高，发光二极管照明策略是否需要零光输出？发光二极管的主要用途是照明，而不是自我保护。过热和冷却可能导致热循环，从而导致发光二极管低频闪烁。NTC热敏电阻的电阻值会随温度连续变化，但呈非线性变化。温度变化值取决于特定NTC元素的值，典型数值为2700、3590和4400。标称电阻值通常指25时的值。目前，市场上的NTC热敏电阻的电阻值从10欧姆到几兆欧姆不等。当与线性或开关调节器一起使用时，热敏电阻通常用作控制元件。电阻随温度的变化值可用公式计算，但通常用-40至150温度范围内的电阻值表来表示。表1:该表显示了典型10k标称热敏电阻在3种不同值下的电阻值。点击查看大图。正如生活中常见的情况一样，热敏电阻的非线性响应通常只是您希望它最敏感的区域中最小的灵敏度。在较低的温度下，电阻的变化比在较高的温度下更显著。因此，可以总结为，随着温度的升高，值越大，电阻下降越快。参见图2。通过并联合适的电阻，响应可以变得更加线性。图2:热敏电阻值随温度的典型变化温度传感器的位置也非常重要，因为它需要尽可能靠近发光二极管的管芯安装，以避免当发光二极管温度升高时的热梯度和响应延迟。如果我们回到第一部分的图1，很明显，当温度较低时，必须更多地考虑这种情况。如果热敏电阻在控制电路中的功能是在温度升高时降低电流，那么也可以在温度降低时增加电流。这可能导致发光二极管瞬时过热，并导致结温超过其额定值。发光二极管的自热问题可以通过自控方法解决，但隐藏的热应力问题是我们不想看到的。因此，最好采用箝位配置，以确保电流不会随着温度下降而继续增加。在下一个第四部分，我们将继续讨论如何用开关调节器控制热敏电阻，请注意。在讨论的第三部分，我们介绍了如何使用热敏电阻来控制发光二极管的散热。接下来，我们将继续讨论如何使用开关调节器来控制热敏电阻。图3显示了使用简单热控制的典型降压调节器示例。它的优点是使用泽特半导体公司的ZXLD1350的ADJ引脚。通过使用一个PNP晶体管作为发射极跟随器，并使用引脚的内部250 k电阻作为负载来过驱动引脚，LED电流将与热敏电阻成比例下降。随着温度下降，热敏电阻的电阻增加，但是随着基极电压增加超过ADJ参考电压，晶体管将关闭，并且发光二极管将仅获得其最高设定电流，从而有效地箝位低温响应。图3:带简单热控制的降压调节器点击查看大图。如前所述，匹配给定发光二极管的热降额曲线取决于许多因素。一个好的热模型将有助于第一次完成匹配，但也可能需要一些测试来匹配跳变点和增益系数。图4示出了使用图3的电路的一些测试结果。图4:使用图3电路的一些测试结果应当注意，如果图3的热控制电路靠近发光二极管，那么晶体管将受到发光二极管自加热的影响。这将增加约-2.2兆伏的暗化效果在最后的第五部分，我们将继续讨论如何实现脉宽调制热控制，请注意。在讨论的第四部分，我们介绍了如何使用开关调节器来控制热敏电阻，并且我们将继续讨论如何实现脉宽调制热控制。热敏电阻或其他温度传感器也可以与脉宽调制热控制结合使用。图5显示了一个简单的框图。图5:脉宽调制热控制框图亮度的脉宽调制控制是许多高亮度发光二极管制造商的首选方法，因为它能使发光二极管在整个亮度水平上保持其颜色特性。这在RGB颜色混合应用中尤其重要。这很难实现，但是调光普遍流行，并且该技术已经开始关注微控制器接口的实现。脉宽调制调光通常使用比眼睛闪烁频率高100赫兹的低频。尽管设计者必须考虑发光二极管照明应用是便携式应用还是固定式应用，但可能出现的频闪效应需要更快的脉宽调制频率。这是为了移动车辆，甚至手电筒照明的考虑。如果脉宽调制调光与开关调节器一起使用，这种技术通常用于快速调节发光二极管电流。这将使电磁干扰问题更加严重。如果它能有效地抖动开关频率，从而减少准峰值电磁干扰信号，也可能使电磁干扰问题变得更好。这里还需要考虑音频。脉宽调制频率越高，开关调节器的电感越有可能在脉宽调制调光频率下谐振。这在1千赫时比在100赫时更明显，部分原因是电感的基底响应和耳朵的频率响应更差。尽管有这些因素，脉宽调制调光仍然可以提供更好的亮度控制。从模拟而不是数字的角度来看，线性控制