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LED照明需要精确的功率和热管理系统


发布时间: 2018-08-21 17:27:00.000

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PolySwitchLVR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。

Poly Switch 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Poly Switch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。

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Poly Switch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Poly Switch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。 

 

 

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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

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