散熱管理是新型LED燈中最困難、要求最嚴格且成本最高的設計部分。如果不進(jìn)行充分的散熱管理，將會(huì )造成照明失效或火災等災難性后果。不過(guò)，LED燈的散熱管理是整個(gè)設計方案中最復雜、要求最嚴格且成本最高的部分。本文將探討如何實(shí)施負溫度系數(NTC)散熱管理，以充分提高LED設計的安全性并大幅降低功耗。
傳統的白熾燈泡中，不與任何東西直接接觸的燈絲是唯一熱源。而對于LED燈而言，LED即是光源，LED的散熱直接與LED燈泡相接觸。這種直接接觸是受LED與驅動(dòng)器電路的連接方式使然。為了實(shí)現散熱，必須將熱量從LED和驅動(dòng)器電路中釋放出去或者加以有效管理，同時(shí)這也是讓LED燈保持長(cháng)期工作的基本前提。
為了解散熱管理的重要性，我們不妨設想這樣一種應用，在壁燈或吊頂燈等通用照明插座上替代安裝LED燈，并用墻壁開(kāi)關(guān)來(lái)控制LED燈。由于壁燈或吊頂燈等大多數標準燈的散熱主要依靠熱對流或氣流來(lái)實(shí)現的，因此這種應用的散熱效果對于LED燈而言不太理想。
如果不進(jìn)行有效的散熱管理，則會(huì )帶來(lái)需要頻繁更換失效的LED燈或者導致建筑物火災等災難性后果。使用智能LED燈控制功能來(lái)監控LED燈的溫度是較為簡(jiǎn)單的散熱管理辦法，同時(shí)由于LED燈能在溫度升高情況下降低功率，因此安全性也將會(huì )得到大幅提升。
NTC散熱管理
NTC電路的基本原理是通過(guò)監控LED燈的溫度來(lái)提升LED燈的安全性并降低設計復雜度。當溫度升高時(shí)，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內。換言之，當溫度升高時(shí)，減少流明，反之，當溫度下降時(shí)，則增加流明。
我們可通過(guò)檢測NTC上的電壓來(lái)檢測LED燈的溫度變化。檢測到的電壓與NTC的溫度有直接關(guān)系，而NTC的電阻會(huì )隨NTC及其周邊電路溫度的升高而下降。使用NTC確定溫度有兩種基本方法。
方法一：在系統強制實(shí)施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測量NTC節點(diǎn)上的電壓。NTC溫度升高時(shí)，電阻減小。電阻減小將導致分壓器比的變化。NTC節點(diǎn)的電壓也會(huì )隨溫度升高而下降。
方法二、強制已知電流通過(guò)NTC，并測量NTC上的電壓。NTC溫度升高時(shí)，電阻減小。根據歐姆定律，電阻減小將改變NTC節點(diǎn)上的電壓。如電阻減小而電流保持不變，NTC節點(diǎn)上的電壓也會(huì )下降。
就改進(jìn)操作、提高安全性而言，這兩種監控LED燈溫度的方法實(shí)施起來(lái)都很簡(jiǎn)單直接。圖1是使用LED作為升溫源頭的這兩種方法的原理圖。
圖1：使用NTC確定溫度的兩種基本方法。
溫度過(guò)高還是LED故障？
LED燈的流明輸出下降時(shí)，了解是否因過(guò)高的溫度環(huán)境還是因為L(cháng)ED出了故障而導致LED輸出下降至關(guān)重要。我們可用顯示流明下降的指示器來(lái)確定下降原因。
圖2所示系統中的流明下降是通過(guò)低功耗的紅色LED指示的。當系統處于最大流明輸出時(shí)，紅色LED關(guān)閉；當LED燈溫度升高時(shí)，流明輸出則會(huì )下降，而流明輸出下降時(shí)，紅色LED即會(huì )開(kāi)啟。隨著(zhù)流明輸出不斷下降，紅色LED的強度會(huì )相應增加。當流明輸出下降到其最低強度時(shí)，紅色LED將會(huì )完全開(kāi)啟。
圖2
當流明輸出處于最低強度而LED燈的溫度仍然較高時(shí)，紅色LED指示燈還可作為預警嚴重問(wèn)題的報警器。在報警模式下，紅色LED會(huì )在白色LED全部關(guān)閉的情況下不斷閃爍。
圖3的方框圖顯示了帶有NTC和警報指示器的普通LED驅動(dòng)器和LED控制器。普通LED燈包含的一個(gè)LED驅動(dòng)器經(jīng)配置后可通過(guò)LED提供一個(gè)設置電流。驅動(dòng)器無(wú)法根據溫度降低流明。驅動(dòng)器提供的溫度監控功能只能用于自身保護，并在溫度極高的情況下完全關(guān)閉。
圖3：帶有NTC和警報指示器的普通LED驅動(dòng)器和LED控制器
LED控制器具有普通LED驅動(dòng)器的全部控制功能，并能增強溫度監控、通信和調光控制等其他功能的智能水平。方框圖中藍色部分是LED控制器的基本模塊和組件。以紅色顯示的組件不是基本操作所必需的，但顯示用于本文所述的NTC和報警功能。
普通LED添加NTC后，就能以可控順序在溫度達到預設限度時(shí)關(guān)閉LED燈。LED控制器右側的兩個(gè)紅色組件(電阻和NTC)根據NTC操作部分所介紹的方法一進(jìn)行配置�？刂破飨螂娮柙靥峁┚_的電壓。NTC節點(diǎn)處的電壓由控制器測量，以便轉換為相應的系統溫度。
報警機制可讓LED燈顯示溫度升高并達到必須關(guān)閉以確保安全的程度。LED控制器左側的兩個(gè)紅色組件(電阻和LED)是基本的指示燈LED配置。LED的亮度由PWM（脈沖寬度調制）信號控制。LED在PWM占空比提高情況下會(huì )增加亮度。
上述智能LED燈以另外一個(gè)LED指示燈的方式顯示報警信息。LED報警只是智能LED能夠采用的眾多通信接口之一。此外還可采用PLC(電力線(xiàn)通信)、DMX(數字多路復用)和DALI(數字可尋址照明接口)等接口。
流明調節
圖4的流程圖顯示了監控LED燈溫度并在溫度達到一定安全限度情況下調節流明大小的簡(jiǎn)單算法。流程圖頂部的“加電啟動(dòng)——系統初始化”塊是微控制器初始化塊。墻壁開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，LED燈加電，該塊將配置LED燈進(jìn)行基本操作，如流明輸出和溫度檢測等。
圖4:LED燈監控及調節流程圖
“燈是否打開(kāi)？”塊檢測燈是否由于溫度過(guò)高而關(guān)閉。該簡(jiǎn)單的按位測試將明確燈是否打開(kāi)。如果設為燈開(kāi)位，說(shuō)明燈打開(kāi)，如果未設為燈開(kāi)位，說(shuō)明燈未打開(kāi)。首次加電時(shí)，燈是默認打開(kāi)的并設定燈開(kāi)位。
“警報”控制塊控制著(zhù)溫度過(guò)高且LED燈被控制器關(guān)閉后的開(kāi)關(guān)序列。接下來(lái)的“燈是否打開(kāi)？”塊將再次開(kāi)始檢測序列。退出報警條件的唯一途徑就是斷開(kāi)并利用墻壁開(kāi)關(guān)再次供電。
接下來(lái)的“檢測溫度”塊將檢測NTC節點(diǎn)處的電壓。NTC通常會(huì )隨溫度發(fā)生非線(xiàn)性變化，因此檢測到的電壓可根據對照表進(jìn)行相關(guān)溫度比較。該溫度將用于后續兩個(gè)控制塊。
“安全溫度”塊用于測定LED燈的溫度是否在安全范圍內。當溫度達到配置的最大值時(shí)，系統會(huì )將燈關(guān)掉。若溫度低于允許最大值，系統將繼續進(jìn)行溫度穩定性測試。
“關(guān)燈”塊的作用是當LED燈溫處于不安全范圍時(shí)將燈關(guān)掉。接下來(lái)是“是否開(kāi)燈？”塊，再次重新開(kāi)始檢測序列。
“溫度變化”塊用于測定上次流明調節循環(huán)以來(lái)的溫度變化是否需要提升或降低光輸出。“溫度增加”塊用于測定溫度是升還是降。由于前一個(gè)控制塊已經(jīng)測出自上次流明調節循環(huán)以來(lái)的溫度變化已足夠大，因此這里只有兩個(gè)選擇。
“最大流明”塊用于測定LED燈是否設為最大流明輸出。若流明輸出達到最大值，則重新進(jìn)入“是否開(kāi)燈？”塊，重新開(kāi)始檢測序列。
當上一個(gè)控制塊測出流明輸出未達到最大值，便會(huì )觸發(fā)“流明升高、調暗指示燈”塊。該控制塊會(huì )根據初始化塊期間的配置將輸出調高一級，還會(huì )將指示燈LED調低一級，以使流明增加與指示燈變暗相匹配，然后再重新啟動(dòng)檢測序列。
當“溫度升高”塊測出溫度升高，便會(huì )觸發(fā)“最低流明”塊。若流明未達到預設的最低值，則流程導向“降低流明，調亮指示燈”塊。若流明輸出達到預設的最低值，則重新進(jìn)入“是否開(kāi)燈？”塊，重新開(kāi)始檢測序列。
“降低流明，調亮指示燈”塊會(huì )根據初始化塊期間的配置將輸出調低一級，還會(huì )將指示燈LED調高一級，以使流明減少與指示燈增加相匹配，然后再重新啟動(dòng)檢測序列。
上述流程圖顯示了輸入電源循環(huán)期間LED燈保持關(guān)閉的情況。流程稍作變動(dòng)，就能提供燈關(guān)閉后監控溫度、在溫度降至安全限度內重新打開(kāi)LED燈的序列。
關(guān)于作者
Charles Pencil現為賽普拉斯半導體公司PowerPSoC與離線(xiàn)LED驅動(dòng)器的主任級應用工程師。他主要負責1W~100W范圍內LED照明系統的高亮度LED操作、控制及應用。 |
