隨著大功率 LED 技術的成熟，工程師收集的數據定量地證實了過熱如何縮短固態照明 （SSL） 的壽命。例如，在 120°C 的結溫下工作持續 60，000 小時的 LED 在 150°C 的工作溫度下難以發光超過 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。在正常運行期間，此類方法運行良好，但當 SSL 暴露于異常溫暖的溫度時，可能難以散發所有熱量。

　　最近，LED 電源（LED 驅動器）制造商為其設備添加了限流功能，允許工程師確定 LED 結溫并在溫度過高時調低燈芯。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是如何工作的。

　　殺手開爾文

　　熱量是使 LED 發光的電致發光過程的副產品。半導體中空穴和電子的復合導致一些光子離開 LED 并有助于整體照明，但其他光子在芯片中被重新吸收，從而產生熱量。器件運行時 LED 晶格的微小振動也會使溫度升高。盡管與傳統光源相比，LED 的效率更高，但應用到設備上的大約 70% 到 80% 的電能仍然轉化為熱能而不是光能。

　　因為LED結小，能量密度高，溫度上升快。現代芯片的結溫 （T J ） 升至 140°C 及以上的情況并不少見。在高溫下長時間運行是不可取的，因為它會導致色度漂移并縮短壽命。（請參閱 TechZone 文章“白光 LED 色度的熱效應”和“了解高亮度 LED 褪色的原因。”）

　　Cree、Lumileds、歐司朗和首爾半導體等 LED 制造商提供了有關溫度對壽命影響的有用信息，這些信息來自多年的可靠性測試數據。例如，圖 1 顯示了 Lumileds LUXEON C白光 LED 在結溫升高時的估計壽命。左軸代表相對光度。LED 制造商認為，當 LED 的亮度低于新時輸出的 70% （L70） 時，LED 已“失效”。LUXEON C 是一款 118 lm、120 lm/W（在 350 mA、2.75 V 時）的 LED，從圖中可以看出，僅 20°C 的差異就可以將 LED 的壽命縮短約 60，000 小時（從T J的 L70 為 80，000 小時= 115°C 至 20，000 小時，T J = 135°C）。1

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

　　考慮到使用 LED 進行設計時熱管理的重要性，設計界有大量關于該主題的設計信息也就不足為奇了。Digi-Key 文章庫中有關 LED 熱管理的項目包括“了解 LED 內部熱阻”、“基于 LED 的燈具的熱考慮因素”和“ LED 熱管理基礎知識”。此外， Digi-Key 網站上有許多LED 散熱產品。

　　被動熱管理技術在鞏固 LED 照明進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，并輔以散熱片，以從器件結處散熱。然而，雖然這種技術的效果令人滿意，但它確實有許多缺點，包括增加照明設備的尺寸和增加成本。散熱器可以占 SSL 夾具成本的三分之一。此外，作為一種被動方法，機械熱管理無法補償環境溫度的大幅波動，例如室外 SSL 可能受到的影響。

　　主動熱管理

　　最近，設計人員專注于用有源技術補充無源熱管理，以應對“極端”情況，否則 LED 壽命會顯著縮短，或者設備甚至可能發生災難性故障。保護 LED 最簡單的方法是選擇具有過溫保護功能的 LED 驅動器。

　　許多現代 LED 驅動器都包含過熱保護。例如，Analog Devices 最近推出的ADP8140 就擁有這樣的功能。ADP8140 是一款線性穩壓器，工作電壓為 3 至 30 V，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 將關斷功率級。當溫度降至 130°C 以下時，ADP8140 重新啟動電源。如果故障或高功率耗散仍然存在，則重復該序列。（請注意，ADP8140 還可與外部熱傳感器一起使用以增強熱保護。）

　　過溫保護依賴于測量 LED 驅動器的溫度而不是 LED 結本身的溫度，其缺點是缺乏精度。即使設備非常接近，LED 驅動器也可能比 LED 溫度高幾度，這可能會在并非絕對必要時觸發關機。更糟糕的是，情況可能正好相反，導致 LED 在 LED 驅動器斷電之前損壞。第二個缺點是許多 LED 驅動器的過熱保護包括在達到閾值溫度時完全切斷電源。這幾乎不方便，尤其是當燈光照亮公共空間時。因此，工程師傾向于將關斷功能設置為在非常高的溫度下發生。

　　此外，許多 LED 驅動器會在系統冷卻后自動重啟。如果過熱是由故障或環境溫度異常高等極端情況引起的，則系統很可能會再次快速關閉，從而導致令人不安的閃爍效應。

　　與在達到設定溫度時簡單地關閉 LED 驅動器相比，一種更巧妙的技術是采用反饋回路，該反饋回路包括一個位于非常靠近 LED 結點的熱傳感器。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），可以逐漸降低驅動 LED 的電流，從而降低功耗以限制結溫。

　　盡管降低電流會降低亮度，但設計人員可以設置最小電流，以使 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中的光度變化方面很差，因此在控制溫度和顯著降低光度之間的平衡方面具有合理的靈活性。無論如何，調暗而不是關閉要方便得多。

　　LED 驅動器制造商通過在其芯片中添加一個專用引腳來接受電阻器的輸入，從而使將 NTC 電阻器集成到固定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 的輸出電流相應降低。LED 驅動器制造商使用脈寬調制 （PWM） 或模擬調光來降低輸出電流。（請參閱 TechZone 文章“熱折返如何提高 LED 照明燈具的可靠性。”）

　　LED 驅動器通常將連接到熱傳感器的電流降低電路集成到其產品中。例如， ON Semiconductor 的 CAT4101是一款具有熱折返功能的 1 A 恒流線性 LED 驅動器。LED 驅動器在 3 至 5.5 V 輸入范圍內工作，并提供高達 1 A 的 25 V 輸出。一旦 LED 結溫超過 150°C，就會通過改變 PWM 占空比來降低電流。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：ON Semiconductor 的 CAT4101 LED 驅動器的熱折返特性。

　　除其他外，德州儀器（TI） 還提供一系列具有熱折返功能的 LED 驅動器。例如，LM3424是降壓/升壓（“降壓/升壓”）LED 驅動器。該器件能夠在 4.5 至 75 V 輸入下工作，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）和電流降低梯度進行編程坡。

　　改善 LED 熱保護

　　雖然基于溫度傳感器的熱管理技術工作得相當好，但也有一些缺點。首先，添加 NTC 熱敏電阻會增加復雜性；準確度、響應和梯度取決于設備的安裝方式。其次，除非指定高端（因此價格昂貴）器件，否則溫度/電阻斜率不是線性的，這使得電流的精確控制更加困難。第三，僅靠電流降低有時不足以將結溫限制在安全區域，從而迫使工程師使用傳統的過熱保護來支持保護。

　　由于基于 NTC 熱敏電阻的熱折返技術的缺點，一些 LED 驅動器制造商已將熱保護更進一步。英飛凌科技 實施了一項正在申請專利的技術，即 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 中實施了該技術。ILD6070 是一款降壓轉換器，能夠在 4.5 至 60 V 輸入電壓范圍內工作，同時提供高達 700 mA 的電流。它采用熱優化 SOIC-8 封裝。

　　LED 驅動器與 LED 緊密熱耦合并用作溫度參考。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降低電流。該公司聲稱，這種連續的調整范圍使系統能夠達到一個平衡點，以確保光源在壓力條件下持續運行——盡管光輸出有所降低。

　　如果熱平衡因額外的熱負載而被破壞，則電流會繼續逐漸減小，直到達到目標 LED 平均電流的至少 25%，并且光源將繼續提供具有 25% 目標光亮度的光輸出輸出。這種保護允許工程師設計具有較低安全裕度的被動熱管理，確保在溫度升高到異常水平時主動熱保護將接管。

　　ILD6070 的溫度基準根據斜率調光特性確定驅動電壓 （V DRIVE ）（圖 3）。驅動電壓又決定了與 LED的發光度成比例的 LED 驅動電流 （i L ）。通過將 V DRIVE信號與內部生成的鋸齒信號進行比較來實現調光，該鋸齒信號又生成 PWM 脈沖序列。（因為 LED 驅動器與 LED 的熱耦合并非總是可行的，因此 ILD6070 可用于傳統配置中的 NTC 熱敏電阻，同時仍可利用斜率調光特性。）［3］

　　圖 3：Infineon Technologies 的 ILD6070 測量 LED 溫度并根據與溫度相關的斜率調光特性設置驅動電壓。

　　設計人員能夠通過在 ILD6070 的 T adj和 GND 引腳之間使用外部電阻器來設置 LED 結閾值溫度（即開始限流的點） 。這樣做的好處是允許設計人員在高結溫的不利影響與系統成本和尺寸之間進行權衡。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，從而使燈具在正常工作條件下不會反復進入限流范圍。圖 4 顯示了各種電阻值對 ILD6070 的電流輸出占空比（以及由此產生的輸出電流）的影響。

　　圖 4：ILD6070 限流操作的觸發點可以通過選擇不同的電阻值來改變。

　　過溫安全網

　　被動熱管理將繼續在 SSL 設計中發揮關鍵作用。設計人員應確保 LED 產生的熱量通過燈具散發，方法是采用低熱阻 LED 和基板，以及在所有預期工作條件下有足夠能力將熱量散發到環境的散熱器。

　　當組件故障或環境溫度過高等不可預見的事件發生時，主動溫度控制就會發揮作用。這種情況會對 LED 產生熱應力并顯著縮短其壽命。在最壞的情況下，熱應力會導致災難性故障。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。這樣的“安全網”允許設計人員指定具有較低安全系數的較小散熱器——節省成本和空間——確保主動溫度控制將滿足過熱條件。

　　有源溫度控制隨著最新的 LED 驅動器解決方案不斷發展，通過消除外部溫度傳感器并允許設計人員選擇開始限流的溫度，提供簡化和靈活的設計解決方案。

　　參考：

1. “了解功率 LED 壽命分析”，Philips Lumileds 技術白皮書。
2. “ CAT4101 的熱折返，LED 照明，”安森美半導體應用筆記，AND9053/D。
3. “ LED 照明應用的智能過溫保護”，Hakan Yilmazer 和 Bernd Pflaum，英飛凌科技白皮書，2013 年 10 月。