中心議題：
- 散熱管理決定LED壽命
- 發光二極管過流過熱解決方案
解決方案：
- 輸入/輸出保護防止負載異常
- 第二類功率源增加設計彈性
發光二極管(led)技術已經取得了快速的進展，而芯片設計和材料的改進促進了更亮、更耐用光源的開發，使光源應用范圍日益擴大。但LED照明廠商仍須繼續克服LED光源熱敏感性強的難題。熱量過多或應用不當都會使LED光源的性能大打折扣。本文介紹發光二極管LED的過流過熱解決方案，包括：輸入/輸出保護防止負載異常；第二類功率源增加設計彈性等。
散熱管理決定LED壽命
使用一個60瓦白熾燈泡的燈具大約產生900流明照度，必須通過傳導耗散3瓦熱量。使用典型直流LED作為光源達到相同的900流明照度只需要十二個LED。假設順向電壓(VF)為3.2伏特，電流為350毫安，該燈具的輸入功率可按下列公式1計算：
功率=12x3.2伏特x350毫安=13.4瓦………公式1
在此情況下，約20%輸入功率轉換為光，80%則轉換為熱。這取決于多種因素，發熱可能與底層不規則以及聲子發射、密封、材料等有關。在LED產生的總熱量中，有90%透過傳導傳輸。表1為耗散來自LED接面的熱量，傳導是導熱的主要通道，因為對流和輻射僅占全部熱傳輸約10%。比如一個LED可能轉換近10.72瓦熱量(13.4瓦×0.8)。其中，9.648瓦(10.72瓦×0.9)透過傳導從LED接面傳輸或遷移。顯然，LED光源需要精確的功率和熱管理系統，因為與其他光源相比，提供給LED的電能大部分轉換為熱量。如果沒有適當的熱管理，這種熱量會影響LED壽命和色彩輸出。同時由于LED驅動裝置屬于硅組件，很快就會失效，因此必須配備故障安全備用過電流保護裝置。
LED的光學性能因溫度不同而呈現明顯的差別。LED的發光量隨接面溫度升高而減少，對某些技術而言，發射波長也會隨溫度而變化。如果不對驅動電流和接面溫度加以適當控制，LED效率會迅速下降，造成亮度減弱、壽命縮短。與接面溫度有關的另一個LED特性是順向電壓(圖1)，VF為經過LED順向壓降，當傳導開始時，VF約為2伏特(對于紅色LED)和3.5伏特(對于藍色LED);TF為在PN接面上，LED內部的溫度。如果該溫度過高，LED將損壞;Ij為經過LED的順向電流。如果僅使用一個簡單的偏壓電阻控制驅動電流，VF將隨溫度升高而下降，驅動電流增大。尤其對大功率LED而言，這將導致熱崩潰，并造成組件失效。常見的做法是透過將LED安裝在金屬芯印刷電路板(PCB)上加速導熱，從而控制接面溫度。電線耦合瞬態和涌流也會減少LED壽命，許多LED驅動裝置很容易因直流電壓和極性錯誤而受損，LED驅動裝置的輸出也會因短路而受損或毀壞。多數LED驅動裝置含有內置安全功能，包括熱關機以及LED開路和短路檢測。但是，要保護IC和其他敏感電子組件，可能需要額外的過流保護組件。
圖1 順向電壓隨接面溫度升高而下降
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輸入/輸出保護防止負載異常
LED是透過定電流驅動的，其順向電壓介于2～4.5伏特之間，與顏色和電流有關。舊式設計依靠簡單電阻器限制LED驅動電流，但是基于廠家規定的典型順向壓降設計LED電路會導致LED驅動裝置過熱。當經過LED的順向壓降下降到遠低于典型規定值的水平時，可能會出現這種情況。在這類事件中，經過LED驅動裝置的電壓升高可能導致來自驅動裝置封裝的總功率耗散更高，因此對性能或壽命產生不利影響。
目前，多數LED應用利用功率轉換和控制組件連接各種功率源，如交流電線、太陽能電池板或電池，來控制LED驅動裝置的功率耗散。對這些接口加以保護，防止它們因過流和過溫而受損，常常用到具有可復位能力的聚合物正溫度系數(PPTC)組件(圖2)?？梢耘c功率輸入串聯一個PolySwitch LVR組件，防止因電氣短路、電路超載或用戶誤操作而受損。此外，放在輸入端上的金屬氧化物變阻(MOV)也有助于LED模塊內的過壓保護。
圖2 開關模式電源的典型電路保護設計
PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后。許多設備廠商選擇能保護電路與具備上游故障安全保護的可重設定PolySwitch組件組合。在本例中，R1是與保護電路組合使用的鎮流電阻，LED驅動裝置容易因直流電壓和極性錯誤而受損，輸出也會因有害短路而受損或毀壞，帶電埠也容易因過壓瞬態受損，包括靜電放電(ESD)脈沖。圖3表示針對LED驅動裝置和燈泡數組的典型電路保護設計，驅動裝置輸入上的PolyZen組件既為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡單性，同時又避免了對大量散熱片的需求。該組件有助于單個、小型封裝內的瞬態抑制、反向偏壓保護和過流保護。
圖3 LED驅動裝置輸入和輸出的協同保護方案
驅動輸出上的PolySwitch組件有助于防止因有害短路或其他負載異常而受損，為了充分發揮PolySwitch組件的作用，可以與金屬芯電路板或LED散熱片熱接，此外，與LED并置的PESD組件也可以對靜電放電加以保護。
第二類功率源增加設計彈性
在照明系統中采用第二類功率源可成為降低成本、提高彈性的重要因素之一。固有的有限功率源，如變壓器、電源供應器或電池等，可以包含保護組件，只要不依靠它們限制第二類功率源的輸出即可。非固有型的有限功率源，按照定義，具有一個分立保護組件，當電流和能量輸出達到預定值時它會自動中斷輸出，各種電路保護組件都有助于提供LED照明應用第二類功率源的安全操作。圖4表示了一種協同保護策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個MOV，在輸出電路分支上采用了一個PolySwitch組件，可以幫助廠商滿足UL 1310第35.1小節針對開關和控制裝置的過載試驗要求。
圖4 第二類功率源的協同保護方案
可重設PPTC組件可以防止因LED照明應用中過流和過溫故障造成的損害，MOV過壓保護組件有助于廠家滿足各種安全機構的要求，可提供大電流輸送和能量吸收能力，并快速響應過壓瞬態。與多數ESD保護組件相比，PESD組件電容極低，約0.25皮法，并且具有電子行業最普遍的形狀系數。
PolyZen組件既為設計人員提供了傳統鉗位二極管的簡單性，同時又避免了對大量散熱片的需求。這種單元件方案可以對因電源使用不當導致的受損提供保護，并具有瞬態抑制、反向偏壓保護能力，也可防止因過流事件而受損。在協同保護方案中使用這些組件可以讓設計人員減少組件數量，提供安全可靠的產品，滿足監管機構的要求，并減少保固和維修成本。
