大功率LED的温度补偿原理

2011-07-07 10:13:31来源: 互联网

引言

  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。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。

带温度补偿的大功率LED驱动器典型应用#e#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)。

  SN3910的温度补偿起始点及输出电流下降的斜率,可通过R、R来设定。温度补偿的原理如下:首先由E引脚提供1.2V的基准电压U,然后经过电阻分压器RT1I、R接地。将电阻分压器的中点接LD引脚,设其电压为有关系式:

  分析(1)式和(2)式可知,当环境温度T升高时,R。的电阻值迅速减小。

  一旦U<0.24V,就启动温度补偿功能,立即通过SN3910的内部电路使输出峰值电流减小,平均值电流也随之减小,从而达到了温度补偿目的。

关键字:原理

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0707/article_6948.html
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