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                          LED照明需要精確的功率和熱管理系統

                          【摘要】:
                          LED技術已經取得了飛速發展,而芯片設計和材料的改進促進了更亮、更耐用光源的開發,光源應用范圍日益擴大。節能意識的不斷增強也加速了LED照明技術的普及。如今,LED燈憑借以下優勢正在迅速取代傳統照明方式:1)能耗低,新型燈泡的功耗范圍從0.83瓦到7.3瓦;2)壽命長,LED燈泡可使用5萬小時;3)LED燈泡耐熱、抗震,即開即用,非常適合需要頻繁開關操作的應用場合;4)有助于滿足安全和綠色倡議;5

                          LED技術已經取得了飛速發展,而芯片設計和材料的改進促進了更亮、更耐用光源的開發,光源應用范圍日益擴大。節能意識的不斷增強也加速了LED照明技術的普及。如今,LED燈憑借以下優勢正在迅速取代傳統照明方式:1)能耗低,新型燈泡的功耗范圍從0.83瓦到7.3瓦;2)壽命長,LED燈泡可使用5萬小時;3)LED燈泡耐熱、抗震,即開即用,非常適合需要頻繁開關操作的應用場合;4)有助于滿足安全和綠色倡議;5)LED燈泡摸上去不燙手,不含汞;6)可充分調光,調光時,LED燈泡不會變色,而白熾燈在調光時會發黃;7)無頻率干擾,不會干擾無線電和電視信號的鎮流電阻器。

                          雖然這項技術正在不斷普及,但LED照明廠家仍在繼續攻克LED光源熱敏感性強的難題。熱量過多或應用不當都會使LED光源的性能大打折扣。


                           

                          導熱性能比較

                          使用一個60W白熾燈泡的燈具大約產生900流明照度,必須通過傳導耗散3瓦熱量。使用典型直流LED作為光源達到相同的900流明照度只需要12個LED。假設VF(正向電壓)為3.2V,電流為350mA,該燈具的輸入功率可按下式計算:

                          功率=12×3.2V×350mA=13.4W。

                          在這種情況下,約20%輸入功率轉換為光,80%則轉換為熱。這取決于多種因素,發熱可能與底層不規則以及聲子發射、密封和材料等有關。

                          在LED產生的總熱量中,有90%通過傳導傳輸。為耗散來自LED結的熱量,傳導是導熱的主要通道,因為對流和輻射僅占全部熱傳輸的約10%。比如,一個LED可能轉換近10.72瓦熱量(13.4×0.8)。其中,9.648瓦(10.72×0.9)通過傳導從LED結傳輸或遷移。

                          顯然,LED光源需要精確的功率和熱管理系統,因為與其他光源相比,提供給LED的電能大部分轉換為熱量。如果沒有適當的熱管理,這種熱量會影響LED壽命和色彩輸出。同時,由于LED驅動裝置屬于硅器件,它們很快就會失效。這說明必須要配備故障安全備用過流保護裝置。

                          結溫效應

                          LED的光學性能因溫度不同而呈現明顯的差別。LED的發光量隨結溫升高而減少,對某些技術而言,發射波長也會隨溫度而變化。如果不對驅動電流和結溫加以適當控制,LED效率會迅速下降,造成亮度減弱、壽命縮短。

                          與結溫有關的另一個LED特性是正向電壓。如果僅使用一個簡單的偏壓電阻器控制驅動電流,VF將隨溫度升高而下降,驅動電流增大。這會導致熱崩潰,尤其是對大功率LED,并造成元件失效。常見的做法是通過把LED安裝在金屬芯PCB上加速導熱,從而控制結溫。

                          電線耦合瞬態和涌流也會減少LED壽命,許多LED驅動裝置很容易因直流電壓和極性錯誤而受損。LED驅動裝置的輸出也會因短路而受損或毀壞。多數LED驅動裝置含有內置安全功能,包括熱關機以及LED開路和短路檢測。但是,要保護集成電路(IC)和其他敏感電子元件,可能需要額外的過流保護器件。
                           

                          LED驅動裝置輸入及輸出保護

                          LED是通過恒定電流驅動的,其正向電壓介于不到2V到4.5V之間,與顏色和電流有關。老式設計依靠簡單電阻器限制LED驅動電流,但是基于廠家規定的典型正向壓降設計LED電路會導致LED驅動裝置過熱。

                          當經過LED的正向壓降下降到大大低于典型規定值的水平時,可能會出現這種情況。在這類事件中,經過LED驅動裝置的電壓升高可能導致來自驅動裝置封裝的總功率耗散更高,因此對性能或壽命產生不利影響。

                          目前,多數LED應用利用功率轉換和控制器件連接各種功率源,如交流電線、太陽能電池板或電池,來控制LED驅動裝置的功率耗散。對這些接口加以保護,防止它們因過流和過溫而受損,常常用到具有可復位能力的聚合物正溫度系數(PPTC)器件??梢耘c功率輸入串聯一個PolySwitchLVR器件,可防止因電氣短路、電路過載或用戶誤操作而受損。此外,放在輸入上的金屬氧化物變阻器(MOV)也有助于LED模塊內的過壓保護。

                          Poly Switch LVR也可以放置在MOV之后。許多設備廠家首選保護電路與帶上游故障安全保護的可復位Poly Switch器件組合。在本例中,R1是與保護電路組合使用的鎮流電阻器。

                          LED驅動裝置容易因直流電壓和極性錯誤而受損。輸出也會因有害短路而受損或毀壞。帶電端口也容易因過壓瞬態受損,包括ESD脈沖。

                          LED驅動裝置輸入和輸出的協同保護方案

                          上圖表示針對LED驅動裝置和燈泡陣列的典型電路保護設計。驅動裝置輸入上的PolyZen器件既為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡單性,同時又避免了對大量散熱(片)的需求。該器件有助于單個、小型封裝內的瞬態抑制、反向偏壓保護和過流保護。

                          驅動輸出上的Poly Switch器件有助于防止因有害短路或其他負載異常而受損。為了充分發揮Poly Switch器件的作用,可以與金屬芯電路板或LED散熱片熱接。此外,與LED并置的PESD器件也可以對靜電放電(ESD)加以保護。 

                           

                           

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