- 大功率LED溫度補(bǔ)償原理
- 數(shù)字溫度傳感器配合驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償
- DC-DC降壓LED驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償
- 線性恒流LED驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償
與其它的燈源相比，大功率LED會產(chǎn)生嚴(yán)重的散熱問題，這主要是因?yàn)長ED不通過紅外輻射進(jìn)行散熱。一般而言，用于驅(qū)動LED的功耗有75％～85％最終轉(zhuǎn)換為熱能，過多的熱量會減少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(tǒng)設(shè)計最重要的一個方面。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導(dǎo)率外殼等來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。但是，工程師們需要改變他們的理念，熱管理并不是機(jī)械設(shè)計師的專利，電子工程師同樣可以進(jìn)行熱管理設(shè)計。實(shí)踐證明，通過電路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能進(jìn)行熱管理是一個既經(jīng)濟(jì)又可靠的方法。
溫度補(bǔ)償原理
一般而言，大功率LED的產(chǎn)品規(guī)格書中都會標(biāo)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）的曲線圖。當(dāng)周圍溫度低于安全溫度點(diǎn)，輸出最高容許電流保持不變；當(dāng)高于安全溫度點(diǎn)，輸出最高容許電流隨周圍溫度升高而降低，即所謂的降額曲線。為確保LED的性能壽命不受影響，必須保證LED工作在降額曲線與橫、縱坐標(biāo)軸所包絡(luò)的安全區(qū)內(nèi)。
但是，目前大多數(shù)LED燈具生產(chǎn)商都將LED的驅(qū)動電流設(shè)計為不隨溫度變化的恒流源，因此，當(dāng)LED周圍溫度高于安全溫度點(diǎn)時，工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)，這將導(dǎo)致LED的壽命遠(yuǎn)低于規(guī)格書的數(shù)值甚至直接損壞。而LED周圍溫度過高是由LED自身發(fā)熱導(dǎo)致，目前有兩個辦法可以解決這個問題。
一種辦法是使用導(dǎo)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(nèi)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，難以避免的問題是，當(dāng)散熱裝置使用一段時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(dǎo)致熱阻較大幅度地上升，導(dǎo)致整體散熱性能下降。另一種辦法是使LED工作在安全區(qū)邊際，這樣既滿足在安全溫度點(diǎn)內(nèi)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(fù)補(bǔ)償，保證LED使用壽命，這就是溫度補(bǔ)償?shù)暮x。
數(shù)字溫度傳感器配合驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)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(yīng)用，這些系統(tǒng)往往使用單片機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。這時可利用原有的單片機(jī)控制系統(tǒng)加入溫度補(bǔ)償功能，即便在惡劣的環(huán)境下，如夏日曝曬，系統(tǒng)內(nèi)的溫度仍能得到很好地控制。
為此類系統(tǒng)驅(qū)動單路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(shù)字溫度傳感器SN1086，SN1086可以同時檢測芯片本身溫度，相當(dāng)于間接檢測PCB溫度，又能檢測遠(yuǎn)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芯片內(nèi)部的高精度DELta-SigmaADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將溫度的數(shù)字結(jié)果通過I2C總線的SDA數(shù)據(jù)線和SCL時鐘線與單片機(jī)通信。當(dāng)單片機(jī)接受到鋁基板溫度結(jié)果后與預(yù)設(shè)定的安全溫度點(diǎn)閾值進(jìn)行比對，當(dāng)溫度過高時啟動溫度補(bǔ)償程序，通過PWM1按比例降低LED驅(qū)動器的輸出電流。單片機(jī)同時監(jiān)控PCB板溫度，溫度過高時通過PWM2信號線控制風(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過高。
這種系統(tǒng)控制極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并保證整體系統(tǒng)的使用壽命，實(shí)踐證明系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)用。
DC-DC降壓LED驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償
若能將溫度補(bǔ)償功能集成在芯片內(nèi)部，這將極大降低使用成本和所占空間。SN3352正是為了這個目的而設(shè)計出來的芯片，SN3352是降壓型DC-DC恒流芯片，工作電壓范圍6~40V，輸出電流達(dá)700mA，溫度補(bǔ)償未啟動時恒流性能優(yōu)良，適用于驅(qū)動串聯(lián)的1W或者3WLED燈。
SN3352具備調(diào)光功能，通過改變ADJI引腳的模擬電壓或者對此引腳施加PWM信號都能實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。SN3352內(nèi)部集成了矽恩微電子自有專利技術(shù)的溫度補(bǔ)償電路，溫度補(bǔ)償功能需要外接一個普通電阻Rth用于設(shè)置溫度補(bǔ)償啟動的溫度點(diǎn)Tth和一個檢測溫度的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻Rntc配合實(shí)現(xiàn)。
SN3352通過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LED鋁基板溫度上升，當(dāng)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，溫度補(bǔ)償功能啟動，輸出電流將會自動隨溫度升高而降低，由此可見，溫度補(bǔ)償啟動的溫度點(diǎn)Tth可以通過改變Rth阻值進(jìn)行更改。而電流隨溫度降低的斜率可以通過選擇不同B常數(shù)的熱敏電阻來決定。
輸出電流的公式如下：
當(dāng)Rntc>Rth時，溫度補(bǔ)償未啟動，輸出電流保持不變，大小由設(shè)置電流電阻Rs和ADJI引腳電壓決定：
其中：VADJI為調(diào)光引腳ADJI引腳的電壓，單位V，調(diào)光范圍0.3V~1.2V，懸空時電壓為1.2V；
當(dāng)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(shù)，熱敏電阻特性主要由這兩個參數(shù)決定；
根據(jù)輸出補(bǔ)償電流的結(jié)果對不同的溫度做一組電流曲線，不難得出,即便把溫度補(bǔ)償啟動的溫度點(diǎn)Tth設(shè)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(qū)別于目前市面上其他的溫度補(bǔ)償方案，這些方案在較低溫度保持較大的補(bǔ)償斜率，而在較高溫度補(bǔ)償斜率大幅下降，這有悖于LED降額曲線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(bǔ)償斜率可以滿足絕大多數(shù)LED降額曲線的補(bǔ)償斜率，保證LED工作在安全區(qū)內(nèi)。
此外，SN3352還具備級聯(lián)功能，每個芯片的ADJO引腳連接下一級芯片的ADJI引腳，將帶有溫度補(bǔ)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ADJO引腳最多可以驅(qū)動5個ADJI引腳。因此，只需要一個熱敏電阻就能讓整個系統(tǒng)共享溫度補(bǔ)償功能，當(dāng)溫度補(bǔ)償啟動時，接入SN3352系統(tǒng)中所有的LED都會隨溫度上升而下降。
應(yīng)用SN3352的溫度補(bǔ)償?shù)臅r候，可以使用矽恩微電子的SN3352應(yīng)用仿真程序，輸入熱敏電阻的參數(shù)和Tth值后，程序自動計算出Rth選值和生成補(bǔ)償曲線，圖4即為此程序生成。在布線方面，為了不拾取電路噪音，RTH引腳和Rth電阻的連接導(dǎo)線應(yīng)盡量短，而由于連接RNTC引腳至熱敏電阻Rntc的連線經(jīng)常需要較長的導(dǎo)線至鋁基板，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(bǔ)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(dá)700mA,芯片工作在恒定關(guān)斷時間模式，具有優(yōu)良的線電壓調(diào)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(jù)不同客戶的應(yīng)用方案和溫度補(bǔ)償要求提供與之配套的應(yīng)用電路、BOM表和布板建議，縮短產(chǎn)品上市時間。
線性恒流LED驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償
另一款具備溫度補(bǔ)償功能的LED線性恒流源驅(qū)動器是SN3118，其輸出電流可由外接電阻編程，適合20mA~200mA的低電流LED應(yīng)用。SN3118工作電壓6V~30V，四個支路電流之間匹配度±5%以內(nèi)，每路最大電流能力達(dá)175mA，工作時無EMI問題。電路中同樣使用一個普通電阻和負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，當(dāng)熱敏電阻阻值下降至普通電阻阻值時，溫度補(bǔ)償啟動。
溫度補(bǔ)償功能以其低成本、高可靠性兼顧了LED壽命和輸出功率，不會因?yàn)榄h(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(qū)動IC產(chǎn)品覆蓋各種應(yīng)用領(lǐng)域，擁有先進(jìn)的溫度補(bǔ)償技術(shù)，可為客戶量身定做方案。
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