发光二极管过流过热解决方案

中心议题：

• 散热管理决定LED寿命
• 发光二极管过流过热解决方案

解决方案：

• 输入/输出保护防止负载异常
• 第二类功率源增加设计弹性

发光二极管(led)技术已经取得了快速的进展，而芯片设计和材料的改进促进了更亮、更耐用光源的开发，使光源应用范围日益扩大。但LED照明厂商仍须继续克服LED光源热敏感性强的难题。热量过多或应用不当都会使LED光源的性能大打折扣。本文介绍发光二极管LED的过流过热解决方案，包括：输入/输出保护防止负载异常；第二类功率源增加设计弹性等。

散热管理决定LED寿命

使用一个60瓦白炽灯泡的灯具大约产生900流明照度，必须通过传导耗散3瓦热量。使用典型直流LED作为光源达到相同的900流明照度只需要十二个LED。假设顺向电压(VF)为3.2伏特，电流为350毫安，该灯具的输入功率可按下列公式1计算：
功率=12x3.2伏特x350毫安=13.4瓦………公式1

在此情况下，约20%输入功率转换为光，80%则转换为热。这取决于多种因素，发热可能与底层不规则以及声子发射、密封、材料等有关。在LED产生的总热量中，有90%透过传导传输。表1为耗散来自LED接面的热量，传导是导热的主要通道，因为对流和辐射仅占全部热传输约10%。比如一个LED可能转换近10.72瓦热量(13.4瓦×0.8)。其中，9.648瓦(10.72瓦×0.9)透过传导从LED接面传输或迁移。显然，LED光源需要精确的功率和热管理系统，因为与其他光源相比，提供给LED的电能大部分转换为热量。如果没有适当的热管理，这种热量会影响LED寿命和色彩输出。同时由于LED驱动装置属于硅组件，很快就会失效，因此必须配备故障安全备用过电流保护装置。

LED的光学性能因温度不同而呈现明显的差别。LED的发光量随接面温度升高而减少，对某些技术而言，发射波长也会随温度而变化。如果不对驱动电流和接面温度加以适当控制，LED效率会迅速下降，造成亮度减弱、寿命缩短。与接面温度有关的另一个LED特性是顺向电压(图1)，VF为经过LED顺向压降，当传导开始时，VF约为2伏特(对于红色LED)和3.5伏特(对于蓝色LED);TF为在PN接面上，LED内部的温度。如果该温度过高，LED将损坏;Ij为经过LED的顺向电流。如果仅使用一个简单的偏压电阻控制驱动电流，VF将随温度升高而下降，驱动电流增大。尤其对大功率LED而言，这将导致热崩溃，并造成组件失效。常见的做法是透过将LED安装在金属芯印刷电路板(PCB)上加速导热，从而控制接面温度。电线耦合瞬态和涌流也会减少LED寿命，许多LED驱动装置很容易因直流电压和极性错误而受损，LED驱动装置的输出也会因短路而受损或毁坏。多数LED驱动装置含有内置安全功能，包括热关机以及LED开路和短路检测。但是，要保护IC和其他敏感电子组件，可能需要额外的过流保护组件。

图1 顺向电压随接面温度升高而下降

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输入/输出保护防止负载异常

LED是透过定电流驱动的，其顺向电压介于2～4.5伏特之间，与颜色和电流有关。旧式设计依靠简单电阻器限制LED驱动电流，但是基于厂家规定的典型顺向压降设计LED电路会导致LED驱动装置过热。当经过LED的顺向压降下降到远低于典型规定值的水平时，可能会出现这种情况。在这类事件中，经过LED驱动装置的电压升高可能导致来自驱动装置封装的总功率耗散更高，因此对性能或寿命产生不利影响。
目前，多数LED应用利用功率转换和控制组件连接各种功率源，如交流电线、太阳能电池板或电池，来控制LED驱动装置的功率耗散。对这些接口加以保护，防止它们因过流和过温而受损，常常用到具有可复位能力的聚合物正温度系数(PPTC)组件(图2)。可以与功率输入串联一个PolySwitch LVR组件，防止因电气短路、电路超载或用户误操作而受损。此外，放在输入端上的金属氧化物变阻(MOV)也有助于LED模块内的过压保护。

图2 开关模式电源的典型电路保护设计

PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后。许多设备厂商选择能保护电路与具备上游故障安全保护的可重设定PolySwitch组件组合。在本例中，R1是与保护电路组合使用的镇流电阻，LED驱动装置容易因直流电压和极性错误而受损，输出也会因有害短路而受损或毁坏，带电埠也容易因过压瞬态受损，包括静电放电(ESD)脉冲。图3表示针对LED驱动装置和灯泡数组的典型电路保护设计，驱动装置输入上的PolyZen组件既为设计人员提供了传统钳位二极管的简单性，同时又避免了对大量散热片的需求。该组件有助于单个、小型封装内的瞬态抑制、反向偏压保护和过流保护。

图3 LED驱动装置输入和输出的协同保护方案

驱动输出上的PolySwitch组件有助于防止因有害短路或其他负载异常而受损，为了充分发挥PolySwitch组件的作用，可以与金属芯电路板或LED散热片热接，此外，与LED并置的PESD组件也可以对静电放电加以保护。

第二类功率源增加设计弹性

在照明系统中采用第二类功率源可成为降低成本、提高弹性的重要因素之一。固有的有限功率源，如变压器、电源供应器或电池等，可以包含保护组件，只要不依靠它们限制第二类功率源的输出即可。非固有型的有限功率源，按照定义，具有一个分立保护组件，当电流和能量输出达到预定值时它会自动中断输出，各种电路保护组件都有助于提供LED照明应用第二类功率源的安全操作。图4表示了一种协同保护策略的工作原理，它在交流输入上采用了一个MOV，在输出电路分支上采用了一个PolySwitch组件，可以帮助厂商满足UL 1310第35.1小节针对开关和控制装置的过载试验要求。

图4 第二类功率源的协同保护方案

可重设PPTC组件可以防止因LED照明应用中过流和过温故障造成的损害，MOV过压保护组件有助于厂家满足各种安全机构的要求，可提供大电流输送和能量吸收能力，并快速响应过压瞬态。与多数ESD保护组件相比，PESD组件电容极低，约0.25皮法，并且具有电子行业最普遍的形状系数。

PolyZen组件既为设计人员提供了传统钳位二极管的简单性，同时又避免了对大量散热片的需求。这种单元件方案可以对因电源使用不当导致的受损提供保护，并具有瞬态抑制、反向偏压保护能力，也可防止因过流事件而受损。在协同保护方案中使用这些组件可以让设计人员减少组件数量，提供安全可靠的产品，满足监管机构的要求，并减少保固和维修成本。