隨著高功率LED技術的成熟，工程師們收集的數據定量地證實了過熱會如何縮短固態照明（SSL）的使用壽命。例如，在120°C的結溫下工作時持續60,000小時的LED在150°C下工作時會發光超過10,000小時。因此，熱管理很快成為SSL設計過程的關鍵部分。

設計人員通常使用被動技術來散熱。在正常操作期間，這些方法工作良好，但是當SSL暴露于異常溫暖的溫度時，可能難以消散所有熱量。

最近，LED電源（LED驅動器）制造商已經為其設備增加了限流功能，使工程師能夠確定LED結溫并在溫度過高時關閉燈芯。過溫保護可延長LED壽命并最大限度地減少災難性故障。主動保護方法還鼓勵使用更小的散熱器 - 節省成本和空間 - 并且對特定產品的最高工作溫度提供更大程度的控制。本文將介紹這些較新的熱管理技術的工作原理。

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熱量是電致發光過程的副產品，可使LED點亮。半導體中空穴和電子的重組導致一些光子離開LED并有助于整體照明，但是其他光子在模具中被重新吸收，從而產生熱量。在器件工作時發生的LED晶格的微小振動也會升高溫度。盡管LED與傳統光源相比具有很高的功效，但應用于該設備的約70％至80％的電能仍然轉換為熱而不是光。

因為LED結很小，所以能量很小密度高，溫度迅速上升。現代芯片的結溫（TJ）升至140°C及以上并不罕見。在高溫下長時間操作是不希望的，因為它會引起色度漂移并縮短壽命。 （參見TechZone文章“對白光LED色度的熱效應”和“了解高亮度LED中的褪色原因。”）

Cree，Lumileds，OSRAM和Seoul Semiconductor等LED制造商提供從多年的可靠性試驗數據中收集到的有關溫度對壽命影響的有用信息。例如，圖1顯示了Lumileds LUXEON C白光LED在結溫升高時的估計壽命。左側軸表示相對亮度。當新產品（L70）的亮度低于輸出的70％時，LED制造商認為LED會“失敗”。 LUXEON C是一個118流明，120流明/瓦（350毫安，2.75伏）LED，從圖表中可以看出，相差20°C可以將LED的壽命縮短約60,000小時（從LJ為80,000小時，TJ = 115°C至20,000小時，TJ = 135°C）。 1

圖1：結溫對LUXEON C LED發光度的影響。 （LED壽命是在光度下降到新時的70％時測量的。）

考慮到使用LED設計時熱管理的重要性，關于該主題的設計信息很多就不足為奇了。可供設計界使用。 Digi-Key文章庫中有關LED熱管理的項目包括“了解LED內部熱阻”，“LED燈具的散熱考慮”和“LED熱管理的基礎知識”。

無源熱管理技術在將LED照明融入主流照明領域方面發揮了重要作用。設計工程師通常會指定低熱阻LED和基板，并輔以散熱器，以消除器件結的熱量。然而，雖然這種技術令人滿意地工作，但它確實具有許多缺點，包括增加照明裝置的尺寸和增加成本。散熱器可占SSL夾具成本的三分之一。此外，作為被動方法，機械熱管理無法補償環境溫度的大幅度波動，例如室外SSL可能會受到影響。

主動熱管理

最近，設計人員一直致力于通過主動技術來補充被動熱管理，以應對LED壽命顯著縮短或設備甚至可能發生災難性故障的“極端”情況。保護LED的最簡單方法是選擇具有過溫保護功能的LED驅動器。

許多現代LED驅動器都具有過溫保護功能。例如，ADI公司最近推出的ADP8140擁有這樣的功能。 ADP8140是一款線性穩壓器，采用3至30 V輸入電壓工作，可提供高達500 mA的恒定電流。如果LED驅動器的芯片溫度超過150°C，ADP8140將關閉功率級。當溫度降至130°C以下時，ADP8140將重新啟動電源。如果故障或高功耗仍然存在，則重復序列。 （請注意，ADP8140還可以與外部熱傳感器一起使用，以增強熱保護。）

過熱保護的缺點是缺乏精確度，它依賴于測量LED驅動器的溫度而不是LED結本身的溫度。即使設備非常靠近，LED驅動器也可能比LED溫度高幾度，這可能會在嚴格要求時觸發關機。更糟糕的是，相反的情況可能是正確的，導致LED驅動器切斷之前LED損壞。第二個缺點是許多LED驅動器的過溫保護包括在達到閾值溫度時完全切斷功率。這幾乎不方便，特別是如果燈光照亮了公共空間。因此，工程師傾向于將關閉功能設置為在非常高的溫度下發生。在防止災難性故障的同時，這對延長LED壽命沒有任何作用。

此外，許多LED驅動器在系統冷卻后自動重啟。如果過熱是由于故障或極端情況（例如異常高的環境溫度）導致的，則系統可能會再次快速關閉，從而導致令人不安的閃爍效應。

一種比簡單更微妙的技術當達到設定溫度時關閉LED驅動器是采用反饋回路，該反饋回路包括非常靠近LED結的熱傳感器。通過在照明電路中添加負溫度系數（NTC）熱敏電阻（通常具有小封裝尺寸并具有良好的性價比），可以逐漸減少驅動LED的電流，從而降低功耗以限制雖然減小電流會降低亮度，但設計人員可以設置最小電流，以便NTC傳感器啟動時的亮度變化低于消費者可以檢測到的閾值。幸運的是，人眼在檢測高亮度設備的光度變化方面很差，因此在控制溫度和顯著降低亮度之間的平衡方面存在合理的靈活性。在任何情況下，調光而不是關閉都會更加方便。

LED驅動器制造商通過在其芯片上添加專用引腳以接受電阻器的輸入，將NTC電阻器加入到夾具電子設備中變得更加簡單。 NTC熱敏電阻被稱為熱折返電路，盡可能靠近LED的結點放置，以提高溫度測量的精度。隨著溫度的升高（高于設計人員確定的設定值），熱敏電阻的電阻降低，從而觸發驅動LED的輸出電流的相應降低。 LED驅動器制造商使用脈沖寬度調制（PWM）或模擬調光來降低輸出電流。 （參見TechZone文章“熱折返如何提高LED照明燈具的可靠性。”）

LED驅動器通常將與熱傳感器相連的電流減少電路并入其產品中。例如，安森美半導體的CAT4101是具有熱折返功能的1A恒流線性LED驅動器。 LED驅動器采用3至5.5 V輸入工作，提供高達1 A的25 V輸出。一旦LED結溫超過150°C，通過改變PWM占空比可以降低電流。圖2顯示了LED驅動電流（紅色）如何隨NTC熱敏電阻的電阻特性（藍色）變化。 2

圖2：安森美半導體CAT4101 LED驅動器的熱折返特性。

德州儀器（TI）等公司還提供一系列具有熱折返功能的LED驅動器。例如，LM3424是一個降壓/升壓（“降壓/升壓”）LED驅動器。該器件能夠在4.5 V至75 V輸入電壓下工作，同時提供高達5 A的恒定電流。熱折返功能允許工程師對斷點（電流降低開始的溫度）和電流降低的梯度進行編程斜率。

改善LED熱保護

雖然基于溫度傳感器的熱管理技術運行良好，但存在一些缺點。首先，添加NTC熱敏電阻會增加復雜性;精度，響應和梯度取決于設備的安裝方式。其次，除非指定高端（因此昂貴）器件，否則溫度/電阻斜率不是線性的，使得精確控制電流更加困難。第三，單獨的電流降低有時不足以將結溫限制在安全區域，迫使工程師采用傳統的過溫保護來支持保護。

由于NTC熱敏電阻熱折返的缺點一些LED驅動器制造商已經采取了進一步的熱保護措施。英飛凌科技已經實施了一項正在申請專利的技術，其中LED驅動器本身成為溫度傳感元件，完全省去了NTC熱敏電阻。該公司已在其ILD6070 LED驅動器IC中實施該技術。 ILD6070是一款降壓電壓轉換器，能夠在4.5至60 V輸入電壓下工作，同時提供高達700 mA的電流。它采用熱優化的SOIC-8封裝。

LED驅動器與LED緊密熱耦合，用作溫度參考。如果LED的溫度超過預定的最大溫度，則根據預編程的斜率調光特性減小電流。該公司聲稱，這種連續的調整范圍允許系統達到平衡點，確保光源在壓力條件下繼續運行 - 盡管光輸出減少。

如果熱平衡受到額外的影響熱負荷逐漸減少電流，直到達到目標LED平均電流的最小值的25％，并且光源將繼續提供光輸出，其亮度為目標光輸出的25％。這種保護允許工程師設計具有較低安全裕度的無源熱管理，因為如果溫度上升到非常高的水平，主動熱保護將接管。

ILD6070的溫度參考值根據斜率調光特性確定驅動電壓（VDRIVE）（圖3）。驅動電壓又決定LED驅動電流（iL），其與LED的發光度成比例。通過將VDRIVE信號與內部產生的鋸齒波信號進行比較來實現調光，鋸齒波信號又產生PWM脈沖序列。 （由于LED驅動器與LED的熱耦合并不總是可能的，因此ILD6070可以采用NTC熱敏電阻的傳統配置，同時仍然利用斜率調光特性。） [3]

圖3：英飛凌科技的ILD6070測量LED溫度并根據溫度設置驅動電壓斜率調光特性。

設計人員可以通過在ILD6070的Tadj和GND引腳上使用外部電阻來設置LED結溫閾值（電流限制開始時的點）。這具有允許設計者將高結溫的有害影響與系統成本和尺寸進行權衡的優點。通過將閾值溫度設置得相對較低，LED將持續更長時間，但系統將需要更大的散熱器以確保熱量快速消散，使得燈具在正常操作條件下不會重復進入限流范圍。圖4顯示了各種電阻值對ILD6070電流輸出占空比（以及其輸出電流）的影響。

圖4：觸發點可以通過選擇不同的電阻值來改變ILD6070的限流操作。

超溫安全網

無源熱管理將繼續在SSL設計中發揮關鍵作用。設計人員應確保LED產生的熱量通過使用低熱阻LED和基板以及具有足夠容量的散熱器散發出來，以便在所有預期的工作條件下將熱量散發到環境中。

當發生組件故障或極高環境溫度等無法預料的事件時，主動溫度控制開始發揮作用。這些條件會對LED產生熱應力并大大縮短其壽命。在最壞的情況下，熱應力可能導致災難性故障。使用溫度傳感器反饋回路可在LED溫度過高時降低驅動電流，從而消除熱應力并防止故障。這種“安全網”允許設計人員指定較小的散熱器，安全系數較低 - 節省成本和空間 - 確保主動溫度控制可以滿足過溫條件。

主動溫度控制繼續發展，最新的LED驅動器解決方案通過消除外部溫度傳感器提供簡化和靈活的設計解決方案，并允許設計人員選擇電流限制開始的溫度。