大功率LED温度补偿技术原理及应用

2011-07-05 来源：维库电子

引言

　　大功率LED照明灯一般采用恒流驱动器，其输出电流不随输入电压、负载及环境温度的改变而变化。但是当led所处环境温度高于安全工作点温度时，LED的正向电流就会超出安全区，使LED的寿命大为降低甚至损坏。这正是恒流驱动器的缺点，因为维持输出电流不变只会促使LED的温度进一步升高。解决方法是利用温度补偿电路来不断减小LED的正向电流值，避免LED因温度过高而损坏。

　　1 大功率LED温度补偿方案

　　如何最有效地保护高温条件下工作的大功率LED，是急需解决的一个技术问题，这对延长大功率LED的使用寿命至关重要。解决大功率LED的过热问题，主要有以下4种设计方案：

　　方案之一：通过合适的散热器将LED芯片产生的热量及时散发掉，使芯片的结温降低。但该方案是在设计LED灯具时预先采取的一种解决办法，并且必须给散热能力留出足够余量，在实际工作中很难保证达到既理想、又经济的效果。

　　方案之二：利用LED驱动芯片内部的过热保护电路关断LED驱动器的输出，迫使LED熄灭，达到降温目的。该方案只是在极端情况下LED驱动芯片被迫采取的过热保护措施，无法保证LED长期稳定的工作。

　　方案之三：采用恒压/恒流式（CV/CC）LED驱动器，其特点是当输出电流达到规定值时通过电流控制环使维持恒定。此方案属于被动的间接式过热保护措施，因为恒压/恒流控制电路是通过检测输出电流来启动电流环的，与LED所处的环境温度并没有直接关系，所以不能根据LED的温度来实时地调节输出电流的大小。

　　方案之四：专门设计一个LED照明用温度测控系统。但因成本过高，难以在LED照明领域大量推广应用。

　　分析可知，给LED驱动器增加温度补偿功能是一种简便易行的解决方案。温度补偿的基本原理是一旦出现异常情况使LED温度过高时，LED驱动器能根据热敏电阻器检测到的温度，自动降低输出电流值，确保LED工作在安全区域之内，这就从根本上解决了LED过热损坏或使用寿命降低的难题，从而大大提高了LED灯具的可靠性与安全性；当温度降低到安全区域时，LED-~g动器的输出电流能自动回升到正常值。显然，这种带温度补偿功能的LED驱动器芯片属于具有自动实时控制的“智能化”芯片，它不仅代表了高端LED驱动器的发展方向，而且具有重要的实用价值。

　　2 大功率LED的温度补偿基本原理

　　最近问世的带温度补偿LED驱动器可圆满解决上述技术难题。其工作特点是当LED所处境温度低于安全工作点温度时，LED驱动器工作在恒流区；一旦超过安全工作点温度，就立即进入温度补偿区，此时LED驱动器不仅能根据温升自动调低输出电流，还可通过电阻预先设定好安全工作点温度和曲线的斜率。这种带温度补偿的大功率LED~g动器输出电流与LED所处环境温度的关系曲线如图1所示。这也是高端LED~g动器的一个显着特点。美国矽恩（si—EN）微电子有限公司于2009年在世界上率先推出带温度补偿的LED驱动器SN3352，其同类产品还有交/直流两用的带温度补偿可调光式HB-LED驱动控制器SN3910（需配外部功率开关管MOSFET），为实现大功率LED的温度补偿提供了便利条件。

　　与LED所处环境温度的关系曲线随着LED正向电流的减小是否会导致LED的亮度显着降低，这种疑虑通常是不必要的。根据韦伯～费赫涅尔定律（Weber—Fechner），人眼的主观亮度感觉与客观亮度的变化量（可等效于白纸面上照度的变化量）呈对数关系，二者的关系曲线如图2所示。由图可见，当纸面上的照度从1O001x降低到1001x，即减小到原来的10%时，人眼感觉到亮度只变暗了50%（人眼的主观亮度感觉从8降至4）。举例说明，即使LED驱动电流从350mA减小到175mA，即减小到原来的50%，这会使客观亮度降低；但经过取对数后人眼觉察到的亮度变化并不那么明显。

　　3 带温度补偿的大功率LED驱动器典型应用

　　SN3352属于带温度补偿功能的高端LED驱动芯片，它兼有恒流驱动、温度补偿、可调光、LED开路保护和关断模式这5种功能，能显着提高LED的可靠性，大大延长LED的使用寿命。

　　SN3352内部集成了温度补偿电路，适配外部的负温度系数（NTC）热敏电阻器来检测LED所处的环境温度T，NTC热敏电阻器就放在LED灯具内靠近LED的位置上。SN3352通过不断地测量它的电阻值RNTC，即可实时获取LED芯片的温度信息。R值随T的升高而逐渐减小，当R值与温度补偿起始点设定电阻R的阻值相等时，SN3352就开始减小输出的平均值电流，起到温度补偿作用。当T降低到安全值时，平均值电流又自动恢复成预先设定好的恒流值。

　　SN3352的典型应用电路如图3所示。输入电压U=+6～40VC为输入端的旁路电容器。假如前级为电源变压器输出的12V交流电，再经过整流滤波器获得直流电压，由于纹波电压较大，C的容量应大于200gF，推荐采用X5R、X7R系列电解电容器，普通电解电容器不适合用作退耦电容，以免影响SN3352的工作稳定性。

　　C2为RNc端的消噪电容器。

　　LED灯串由1oRlW白光LED构成。利用R设定温度补偿起始点。R为NTC热敏电阻器，它在TA：25℃时的电阻值为100kQ。L为47H电感量，允许范围是47～220gH。当输入电压较高、输出电流较小时，需要增大电感量，以降低输出纹波，提高电源效率。电感器的磁饱和电流应大于SN3352的峰值输出电流，电感的平均电应大于，o（AvG）值。当o（AvG）=700mA时电感器的磁饱和电流应大于1.2A=350mA时，磁饱和电流应大于500mA。电感器应尽量靠近SN3352，以减小引线电阻。为提高1MHz驱动器的效率，整流管VD必须采用反向恢复时间极短、低压降、反向漏电流很小的肖特基二极管。

　　为改善NTC热敏电阻的非线性，可在R上串联一只固定电阻R。若需减小输出纹波电流，还可在LED灯串的两端并联一只旁路电容器C。当C=1gF时，可将输出纹波电流大约减小到原来的1/3。LED温度补偿曲线的温度补偿起始点TH由R设定，曲线斜率则由热敏指数B和R、R。的阻值共同决定。一旦R、R和R的阻值确定之后，温度补偿曲线就被确定。推荐RTH的阻值范围是lkQ～100kQ。

　　举例说明，设计条件为B=4485，R=0，RNTc=220kQ，RTH=22.1kQ。所对应的温度补偿曲线如图4所示，R采用贴片式热敏电阻器。选定热敏指数B之后，R的阻值越小，补偿起始点温度值越高；当R=ou,-t，斜率只取决于R值；R≠0时，R与R的总电阻值越大，温度补偿曲线越陡，斜率越大。

　　4 带温度补偿的lib—LED驱动控制器典型应用

　　SN3910属于交/直流两用带温度补偿可调光HB—LED（高亮度LED）驱动控制器，适合驱动HB—LED照明灯。采用交流供电方式的SN3910典型应用电路如图5所示。交流输入电压U=220V±15%。FU为lA/250V熔丝管，RNTcl为启动电源时的限流电阻。C为抑制串模干扰的线问电容器。整流桥由4只1N4007型1A/1000V的硅整流管构成。为提高功率因数，利用VD～VD、C，和C构成二阶填谷式PFC电路。RNT2选用l00kQ（TA=25℃）负温度系数热敏电阻器。R采用1.0Q精密电阻器，两端并联一只可调电阻器R（100Q）。