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LED熱控制技術中散熱器的選擇
通常我們采用高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級別的保護，如通過電子散熱器及時散熱。
熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設置溫度斷點后降低LED的電流。
以下介紹兩個例子：一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統與較為簡單的系統間的區(qū)別及各自的設計流程。
背景
在使用大功率LED的傳統照明應用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導體結點來傳導熱量。此傳導功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。
PD=VF×IF
為了保持一個安全的LED結點溫度，必須消除這個傳導功率。需要對系統中的熱阻抗進行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。
一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當簡單。LED結點的功率耗散（PD），必須通過結點-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。
由此產生的結點溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個電氣電壓（歐姆定律的熱當量）：
TJ-TA=PD×θJA
θJA 指下列各值的總和。
θJS：結點至錫焊點熱阻；
θSH：錫焊點至散熱器熱阻；
θHA：錫焊點至環(huán)境熱阻。
θJS代表內部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質和結點熱阻。 后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為LED制造商數據表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數。它可以在2~15℃/W的范圍內變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好（包括：多重熱導通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導熱膠），θSH則基本上EPS線條可以忽略不計。這將產生一個小于2℃/W的極低θSH值。
θHA保持不變，因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設計需要根據下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：
通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當于需要一個更大的散熱器。
實際應用中 ，在系統使用壽命期內，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向�？赡艿臏囟壬仙秶韪鶕� 差情況下預計的TA值計算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會降低 大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升 壞情況下的散熱設計標準，要比標定時提高25%~50%。
LED驅動器
這些LED僅僅是具有LED驅動器主控機制的動態(tài)系統的組成之一。高亮度LED驅動器通常是通過開關轉換器支持其工作。轉換器對系統進行調節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅動器可適應不斷變化的動態(tài)情況，提供連續(xù)調節(jié)，保證系統電氣穩(wěn)定性。在 常見的LED驅動器中，需要對輸出電流進行調節(jié)，因為它與輸出通量有著密切的關系并易于做出調整。
盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環(huán)境）的函數。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調整，因此功率降低， 終達到實現結點熱平衡的目的。但 終環(huán)境溫度的升高會導致結溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內的各種元件性能降低、惡化， 終導致熱逸散和災難性的LED故障。 每個LED制造商都提供了對應環(huán)境溫度變化的 大前向電流的特性曲線。如圖2所示的Cree XRE系列曲線，該曲線標明了推薦的LED過溫安全工作范圍（SOA）。這個快速的參考鋁合金時效爐設計資料提供了多重θJA圖形。因為在數據表規(guī)定了θJS，而在運行良好的系統中可以忽略θSH，因此θHA是一個可控變量。對于給定的θHA，維持LED驅動電流在限定范圍內，可防止LED在非安全狀態(tài)下運行時會出現的熱逸散和/或大幅的壽命衰減。
從圖2中不難看出大型散熱器會擴大LED的適用范圍。不過，在一些LED應用中，高昂的散熱器成本及更大的散熱器體積令人望而卻步。對于此類應用，為了實現散熱，需要良好的解決方案。
比起針對每個規(guī)格設計一個大容差范圍的熱管理方案，設計師更愿意采用通用方案。這令LED驅動器的應用成為可能。由于驅動器會調節(jié)電流及功率，因此僅需對非安全運行狀態(tài)進行檢測，并令驅動器可以做出相應反應即可。
熱折返
考慮到制造商規(guī)定的前向電流額降，設計師現在能夠依靠LED驅動器來提供有幫助的控制機構，從而對LED提供熱保護。由于多數新的LED驅動器具有調光輸入，因此幾乎總有一個簡單的方法來降低向LED的輸出電流。鑒于此，可以設計一個電路來檢測靠近LED的溫度。如果系統有良好的熱阻特點，那么LED的結點溫度就能通過測量來內推。
因此，LED驅動器可以按照如圖3所示的電爐風機廠需求來維持或降低調節(jié)電流。該圖可以改變，并且基本上與制造商的數據表規(guī)范相吻合，也可將其繪制的更保守一些。無論用什么方式，都要保護LED免受電流過剩與過熱的損害。特別是，可以依據所需減少對散熱器要求，因為 差條件導致的熱逸散能被去除。
熱折返可在許多方面應用。 常見和 簡單的方法是使用一個NTC（負溫度系數）熱敏電阻測量LED附近的溫度，如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個隨溫度降低而增大，隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設定值偏離基準電壓，并且底部電阻器是一個熱敏電阻，那么分電壓將隨溫度增加而降低。假如將該電壓鉗制在低于基準電壓的 大電壓上，那么對于一些上升至 大溫度斷點（TBK）的溫度范圍來說，該電壓就被固定為鉗位電壓。然而，對于高于TBK的溫度而言，電壓將下降，如圖3所示。這個電壓可以用來控制LED驅動器的模擬調光輸入以實施基本熱折返。
LED調光時，折返圖形會有不同。由于標稱LED電流水平（ILED-NOM）被降低為調光電流水平（ILED-DIM），可對折返圖加以修正以與新的溫度斷點（TBK-DIM）相適應。這擴大了LED使用的溫度范圍，如圖3所示�？筛鶕煌骷植交蜻B續(xù)完成。
另外
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本文引用地址： http://www.eeworld.com.cn/LED/2012/0609/article_7148.html
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(本文轉自電子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/LED/2012/0609/article_7148.html)