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大功率LED驱动的温度补偿技术 |
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作者：矽恩微电子（厦门）有限公司 谢希 |
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与其它的灯源相比，大功率LED会产生严重的散热问题，这主要是因为LED不通过红外辐射进行散热。一般而言，用于驱动LED的功耗有75％～85％最终转换为热能，过多的热量会减少LED的光输出和产生偏色,加速LED老化。因此，热管理是LED系统设计最重要的一个方面。LED系统生产商通过寻求优化的散热器、高效印制电路板、高热导率外壳等来应对这一挑战。但是，工程师们需要改变他们的理念，热管理并不是机械设计师的专利，电子工程师同样可以进行热管理设计。实践证明，通过电路实现温度补偿功能进行热管理是一个既经济又可靠的方法。
温度补偿原理
一般而言，大功率LED的产品规格书中都会标明不同环境温度（或LED焊点的温度）下的最高容许输出电流（如图1）的曲线图。当周围温度低于安全温度点，输出最高容许电流保持不变；当高于安全温度点，输出最高容许电流随周围温度升高而降低，即所谓的降额曲线。为确保LED的性能寿命不受影响，必须保证LED工作在降额曲线与横、纵坐标轴所包络的安全区内。
图 1 LED 降额曲线
但是，目前大多数LED灯具生产商都将LED的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源，因此，当LED周围温度高于安全温度点时，工作电流就不在安全区内，这将导致LED的寿命远低于规格书的数值甚至直接损坏。而LED周围温度过高是由LED自身发热导致，目前有两个办法可以解决这个问题。
一种办法是使用导热性更好的散热装置，减小LED芯片至环境的热阻，控制LED内部温度不至比环境温度高太多，但这需要较高的成本。此外，难以避免的问题是，当散热装置使用一段时间后在灯体外壳的散热片上沉积灰尘，以及铝合金基敷铜板上连接铜层和铝基板的介质层老化脱胶都将导致热阻较大幅度地上升，导致整体散热性能下降。另一种办法是使LED工作在安全区边际，这样既满足在安全温度点内输出电流、输出功率工作在额定状态且恒定，而且在高于安全温度点输出电流按比例下降进行负补偿，保证LED使用寿命，这就是温度补偿的含义。
数字温度传感器配合驱动器实现温度补偿
有些照明产品需要一些智能控制，如一些高级路灯的应用，这些系统往往使用单片机对整个系统进行监视和控制。这时可利用原有的单片机控制系统加入温度补偿功能，即便在恶劣的环境下，如夏日曝晒，系统内的温度仍能得到很好地控制。
图 2 使用数字温度传感器实现的温度补偿系统
图2为此类系统驱动单路LED串的示意图。温度检测部分采用了矽恩微电子公司生产的高精度数字温度传感器SN1086，SN1086可以同时检测芯片本身温度，相当于间接检测PCB温度，又能检测远端三级管温度，若将三极管与LED一同焊接在铝基板上便可以检测铝基板温度。SN1086将检测到的两种温度通过芯片内部的高精度Delta-Sigma ADC进行模数转换，将温度的数字结果通过I2C总线的SDA数据线和SCL时钟线与单片机通信。当单片机接受到铝基板温度结果后与预设定的安全温度点阈值进行比对，当温度过高时启动温度补偿程序，通过PWM1按比例降低LED驱动器的输出电流。单片机同时监控PCB板温度，温度过高时通过PWM2信号线控制风扇对PCB进行散热，确保板上的元器件尤其是电解电容的温度不会过高。
这种系统控制极大增强了系统的稳定性，并保证整体系统的使用寿命，实践证明系统内部温度得到很好地控制，但硬件成本较高，适于中高端领域的应用。
DC-DC降压LED驱动器实现温度补偿
若能将温度补偿功能集成在芯片内部，这将极大降低使用成本和所占空间。SN3352正是为了这个目的而设计出来的芯片，SN3352是降压型DC-DC恒流芯片，工作电压范围6~40V，输出电流达700mA，温度补偿未启动时恒流性能优良，适用于驱动串联的1W或者3W LED灯。SN3352具备调光功能，通过改变ADJI引脚的模拟电压或者对此引脚施加PWM信号都能实现调光功能。SN3352内部集成了矽恩微电子自有专利技术的温度补偿电路，温度补偿功能需要外接一个普通电阻Rth用于设置温度补偿启动的温度点Tth和一个检测温度的负温度系数热敏电阻Rntc配合实现。
图3 SN3352 驱动单路LED典型应用图
SN3352通过RNTC引脚不断测量与LED焊接在同一块铝基板的热敏电阻Rntc阻值，随着LED铝基板温度上升，当热敏电阻的阻值低至与连接在RTH引脚上的普通电阻Rth阻值相等时，温度补偿功能启动，输出电流将会自动随温度升高而降低，由此可见，温度补偿启动的温度点Tth可以通过改变Rth阻值进行更改。而电流随温度降低的斜率可以通过选择不同B常数的热敏电阻来决定。
输出电流的公式如下：
当Rntc>Rth时，温度补偿未启动，输出电流保持不变，大小由设置电流电阻Rs和ADJI引脚电压决定：
其中：VADJI为调光引脚ADJI引脚的电压，单位V，调光范围0.3V~1.2V，悬空时电压为1.2V；
当当Rntc < Rth时，温度补偿启动，输出电流受到调制：
其中：
R25为热敏电阻在25oC下的阻值，B为热敏电阻的B常数，热敏电阻特性主要由这两个参数决定；
根据输出补偿电流的结果
对不同的温度做一组电流曲线，不难得出,即便把温度补偿启动的温度点Tth设置在较高温度,如100oC以上，电流随温度降低的斜率仍然保持较高斜率。这区别于目前市面上其他的温度补偿方案，这些方案在较低温度保持较大的补偿斜率，而在较高温度补偿斜率大幅下降，这有悖于LED降额曲线在高温斜率更加大的事实。因此SN3352在高温仍然保持大的补偿斜率可以满足绝大多数LED降额曲线的补偿斜率，保证LED工作在安全区内。
此外，SN3352还具备级联功能，每个芯片的ADJO引脚连接下一级芯片的ADJI引脚，将带有温度补偿信息的电压由前一级芯片的ADJO引脚输出到下一级芯片的ADJI引脚。每个ADJO引脚最多可以驱动5个ADJI引脚。因此，只需要一个热敏电阻就能让整个系统共享温度补偿功能，当温度补偿启动时，接入SN3352系统中所有的LED都会随温度上升而下降。
图4 温度补偿曲线图 （Rntc的B=3900,R25=100K,Rth=36K）
应用SN3352的温度补偿的时候，可以使用矽恩微电子的SN3352应用仿真程序，输入热敏电阻的参数和Tth值后，程序自动计算出Rth选值和生成补偿曲线，图4即为此程序生成。在布线方面，为了不拾取电路噪音，RTH引脚和Rth电阻的连接导线应尽量短，而由于连接RNTC引脚至热敏电阻Rntc的连线经常需要较长的导线至铝基板，因此紧靠芯片RNTC引脚需要有旁路电容对地滤除杂波，一般而言0.1?F贴片电容即可。
另一款具备温度补偿功能的SN3910主要用于高压领域的降压型DC-DC恒流芯片，全电压范围输入，外置高压MOS管，输出电流达700mA,芯片工作在恒定关断时间模式，具有优良的线电压调整率。这款芯片主要用于日光灯方案和其他市电直接接入的方案。矽恩微电子将根据不同客户的应用方案和温度补偿要求提供与之配套的应用电路、BOM表和布板建议，缩短产品上市时间。
线性恒流LED驱动器实现温度补偿
另一款具备温度补偿功能的LED线性恒流源驱动器是SN3118，其输出电流可由外接电阻编程，适合20mA~200mA的低电流LED应用。SN3118工作电压6V~30V，四个支路电流之间匹配度±5%以内，每路最大电流能力达175mA，工作时无EMI问题。电路中同样使用一个普通电阻和负温度系数的热敏电阻实现温度补偿，当热敏电阻阻值下降至普通电阻阻值时，温度补偿启动。
图5 SN3910驱动LED典型应用图
图6 SN3118驱动LED典型应用图
本文小结
温度补偿功能以其低成本、高可靠性兼顾了LED寿命和输出功率，不会因为环境恶劣或是散热装置异常、老化而使得LED性能和寿命受到影响。矽恩微电子的LED驱动IC产品覆盖各种应用领域，拥有先进的温度补偿技术，可为客户量身定做方案。(end)
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(9/8/2009) |
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