利用熱反饋降低LED的溫升

發布日期：2012-09-15

利用LED實現高亮度照明要求使用廠商允許的最大電流驅動，但LED的平均壽命高度取決于工作溫度。工作溫度僅上升10℃便可使其壽命縮短一半。這種情況迫使設計人員必須降低調節電流，犧牲亮度來延長使用壽命。如果要求LED在較高的環境溫度下工作，則必須進一步降低電流來最小化環境到芯片溫升，以保證使用壽命。但是由于存在溫度上限，這樣做會降低中低環境溫度范圍的照明亮度。本質上來說，我們是通過降低亮度來實現高溫環境工作的。圖1顯示了一個使用熱敏電阻控制運算放大器 (op amp) 的LED驅動電路，其在LED電路板溫度上升時降低驅動電流。

    LED陣列電流通過檢測電流檢測電阻器R7的電壓來調節，并用作控制器的反饋控制，例如：TPS40211等。運算放大器電路（包括R9），向反饋節點（FB）注入一個電流以降低調節電流，或者灌入它的電流來增加調節電流。FB節點電壓保持0.26V恒定不變。提高運算放大器輸出（TP1）的電壓，必須通過降低R7電壓來獲得補償，從而降低LED電流。當運算放大器輸出剛好為0.26V時，注入電流為零，而LED調節不受影響。

    熱敏電阻RT1是一個負溫度系數（NTC）器件。25℃下它的標稱電阻為10K歐姆，但在–40℃下增加至300K歐姆以上，而在100℃下則降低至1K歐姆以下，并且是以一種非線性的方式。電阻器R8和R10將5V偏置電壓調低接近FB電壓，而R9的值則控制電流隨高溫變化減小的快慢。使用較好調節的偏置電壓非常重要，因為電路的精確度受到偏置容限的影響。電阻器R9必須盡可能地靠近電流模式增壓控制器放置，目的是最小化噪聲敏感度。使用熱環氧，將熱敏電阻RT1盡可能靠近PWB上的中央LED連接。

    圖2顯示了各種溫度條件下獲得的數據。僅有LED和熱敏電阻在該溫度范圍工作。熱敏電阻檢測到的溫度繪制成曲線圖，與環境溫度相比較。我們將計算得到的LED芯片溫度也繪制成圖，其等于電路板溫度加上每支LED的功率乘以結點到機箱熱阻抗（8℃/W）。我們可以看到，高環境溫度條件下，運算放大器電路會降低LED電流，而LED芯片溫度接近LED電路板溫度。這種情況下，LED電路板溫度接近環境溫度，因為LED電流幾乎為零。這樣，便可實現LED芯片溫度穩定無變化。RT1非線性是最高溫度下LED電流急劇變化的原因。TP1的溫度“控制電壓”也被繪制成圖，并且同預計值非常匹配。

    總結

    高溫環境下，使用驅動高功率LED會使LED亮度退化、使用壽命縮短，這種情況下熱反饋電路便非常有用。它可以降低LED的電流，從而降低LED的功耗，并最終降低LED的溫升。由于LED亮度隨溫升降低，因此在一些要求恒定亮度的應用中這種方法可能并不實用。但是，這種電路可以延長LED在極端環境下的有效使用壽命。

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