LED照明需要精确的功率和热管理系统

     LED技术已经取得了飞速发展，而芯片设计和材料的改进促进了更亮、更耐用光源的开发，光源应用范围日益扩大。节能意识的不断增强也加速了LED照明技术的普及。如今，LED灯凭借以下优势正在迅速取代传统照明方式：1）能耗低，新型灯泡的功耗范围从0.83瓦到7.3瓦；2）寿命长，LED灯泡可使用5万小时；3）LED灯泡耐热、抗震，即开即用，非常适合需要频繁开关操作的应用场合；4）有助于满足安全和绿色倡议；5）LED灯泡摸上去不烫手，不含汞；6）可充分调光，调光时，LED灯泡不会变色，而白炽灯在调光时会发黄；7）无频率干扰，不会干扰无线电和电视信号的镇流电阻器。

　　虽然这项技术正在不断普及，但LED照明厂家仍在继续攻克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。

　　导热性能比较

　　使用一个60W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12个LED。假设VF(正向电压)为3.2V，电流为350mA，该灯具的输入功率可按下式计算：

　　功率 = 12×3.2V×350mA = 13.4W。

　　在这种情况下，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、密封和材料等有关。

　　在LED产生的总热量中，有90%通过传导传输。为耗散来自LED结的热量，传导是导热的主要通道，因为对流和辐射仅占全部热传输的约10%。比如，一个LED可能转换近10.72瓦热量(13.4×0.8)。其中，9.648瓦(10.72×0.9)通过传导从LED结传输或迁移。

　　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驱动装置属于硅器件，它们很快就会失效。这说明必须要配备故障安全备用过流保护装置。

　　结温效应

　　LED的光学性能因温度不同而呈现明显的差别。LED的发光量随结温升高而减少，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结温加以适当控制，LED效率会迅速下降，造成亮度减弱、寿命缩短。

　　与结温有关的另一个LED特性是正向电压。如果仅使用一个简单的偏压电阻器控制驱动电流，VF将随温度升高而下降，驱动电流增大。这会导致热崩溃，尤其是对大功率LED，并造成元件失效。常见的做法是通过把LED安装在金属芯PCB上加速导热，从而控制结温。

　　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，要保护集成电路(IC)和其他敏感电子元件，可能需要额外的过流保护器件。

　　LED驱动装置输入及输出保护

　　LED是通过恒定电流驱动的，其正向电压介于不到2V到4.5V之间，与颜色和电流有关。老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正向压降设计LED电路会导致LED驱动装置过热。

　　当经过LED的正向压降下降到大大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器件连接各种功率源，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)器件。可以与功率输入串联一个PolySwitch LVR器件，可防止因电气短路、电路过载或用户误操作而受损。此外，放在输入上的金属氧化物变阻器(MOV)也有助于LED模块内的过压保护。

　　PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后。许多设备厂家首选保 护电路与带上游故障安全保护的可复位PolySwitch器件组合。在本例中，R1是与保护电路组合使用的镇流电阻器。

　　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。带电端口也容易因过压瞬态受损，包括ESD脉冲。

图 LED驱动装置输入和输出的协同保护方案。

　　上图表示针对LED驱动装置和灯泡阵列的典型电路保护设计。驱动装置输入上的PolyZen器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。该器件有助于单个、小型封装内的瞬态抑制、反向偏压保护和过流保护。

　　驱动输出上的PolySwitch器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器件的作用，可以与金属芯电路板或LED散热片热接。此外，与LED并置的PESD器件也可以对静电放电(ESD)加以保护。

　　满足2类功率源安全标准

　　在照明系统中采用2类功率源可能成为降低成本、提高灵活性的重要因素之一。固有型限功率源(一台变压器、电源或电池)可以包含保护器件，只要不依靠它们限制2类功率源的输出。非固有型限功率源，按照定义，具有一个离散保护器件，当电流和能量输出达到预定值时它会自动中断输出。各种电路保护器件都有助于提供LED照明应用2类功率源的安全操作。

　　总结

　　可复位PPTC器件可以防止因LED照明应用中过流和过温故障造 成的损害。MOV过压保护器件有助于厂家满足各种安全机构的要求，并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保护器件相比，PESD器件电容极低(0.25pF)，并且具有电子行业最普遍的形状系数。PolyZen器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。这种单器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器件可以让设计人员减少元件数量，提供安全可靠的产品，满足监管机构的要求，并减少质保和维修成本。

　　备注：名词解释

　　VF---经过LED的正向压降。当传导开始时，VF约为2V(对于红色LED)和3.5V(对于蓝色LED)。

　　Tj---LED内部温度，在PN结上。如果该温度过高，LED将损坏。

　　IF---经过LED的正向电流。