灯具散热问题及可调整式热保护技术解读
2016-10-29 09:56:15
伴随 LED 照明市场高速发展，LED 照明应用相关产品愈趋于轻薄短小，而且功率需求却更为强大，其中，关于散热效能要求日益严苛。另外，LED 电源模块的失效率亦随着灯具材料散热效能有限而提高，因此，在 LED 照明控制 IC 相关热保护感测技术，近来成为各 LED 灯具设计应用之热点。
LED灯具散热问题
一般传统的 LED 灯具以采用铝散热材料作为灯壳，虽有良好的散热效果，但加工复杂、成本高、材质重等缺点。LED 照明灯具散热原理上，需藉由物质内部传导热能的载体导热机理。
其中，金属导热佳主要是因为金属具有自由电子因而能快速传递热能；而塑料因无自由电子，分子振动困难，其热传导主要是材料本身晶格震动的结果，而声子为主要热能载荷者。
相对的，塑料灯壳在设计、性能和成本方面的其他优点，如重量轻（比铝材轻20~40%）、兼具易成形、低成本，而且最为重要的特色是因塑料不导电，具备良好的电气绝缘能力，故非隔离型 LED 照明驱动器采用塑料外壳已是大势所趋。
不过，一般塑料其导热效能相当差，树脂种类材料也直接影响导热好坏，一般塑料导热系数 k 值一般只有 0.2W/（m*K），约为金属铝之 1/1000。无法有效散热及影响 LED 灯具可靠度。
LED灯具可靠度
可靠度的概念，最早始于二次大战，德国在研制 V-1 火箭时，对于每个组件的失效率直接影响整个系统的表现研究。在LED灯具的电源模块中观念相同，其中环境温度的变因更会导致降低LED灯具的可靠度，LED 与驱动电路中所使用的电解电容器于可靠度评估中影响最大。
其中图1 为高亮度白光 LED 的 Tj 温度与使用命关系图，从图中可知 Tj 温度愈低则使用寿命愈长，另外，图2 电解电容器器温度与使用寿命关系图，电源模块中电解电容器使用寿命，也同样与环境温度成反比。
电解电容器毁坏甚至会导致灯具无法使用，故若灯具能随着感测环境温度有效的调整自体温度也就能延长 LED 灯具的使用寿命。因此，如何调整温度为 LED 照明应用中重要之课题。
温度感测
感测温度的实际应用中，热敏电阻器是最为常见且容易取得的温度传感器，其中 LED 灯具电源模块中加入热敏电阻器作为感测温度应用具备有效且低成本的解决方案。
热敏电阻器是由金属氧化物混合后高温烧结而成。所形成的组件拥有随温度而改变电阻值的特性。
其中常见的一大类属于负温度系数热敏电阻（negative temp coefficient thermistor），简称 NTC Thermistor。其电阻值会随着温度上升而下降。
使用热敏电阻器用来作温度感测的三大优点：
1.其具备极高的灵敏度。若采用高阻值的热敏电阻器，灵敏度可高达 10kΩ/ °C。
2.其相对的高阻值。其在 25° C 时的阻值，可以横跨数百至数 MΩ 的选择性。其所拥有的高阻值，降低了由导线阻抗所带来的误差。
3.热敏电阻器提供多样性的组件包装，其中贴片式的极小外形包装，甚至尺寸可缩小到 0201 包装，如图3 所示。在电路设计中可轻易 Layout 于需感测热源的组件周遭。
不过在实务应用上，使用热敏电阻器用来作温度感测，还是有其限制：
1.热敏电阻器为被动电阻器，使用上需由电流流过驱动，故有电流流过即有功率损耗所散发的热能，使用上热敏电阻器需串联大阻值的电阻器限流，以避免热敏电阻器过度自热，反应自体功耗温度，而非感测待测物的温度。
2.热敏电阻器虽拥有较高的阻值与灵敏度，但其温度特性是非线性的，其中图4为兴勤电子 TSMSeries 的热敏电阻阻值对温度的关系图。
如图所示，在需感测的温度范围内电阻阻值对温度变化剧烈，需并联多颗热敏电阻器或是电阻器以修饰温度斜率变化曲线，研发过程中，拉长开发时效，增加成本。
可调整过热保护功能
提供热保护的 LED 驱动 IC，搭配热敏电阻器应用需具备可解决热敏电阻器自热问题等限制，另外，热保护功能的可调整性最为重要，其中包含可任意调整开启及关闭热保护功能的输出电流调节起始点 （TFB）及输出电流截止点 （TCut-off） 以供电路设计，图 5 为可调整过热保护设计示意图。电路开发阶段可以任意调整过热保护功能。
另外，因环境温度上升，LED 电流下降斜率调整以达到调节灯具温度之效能。其 LED 的亮度会随输出电流下降而减少，下降的斜率需符合 gamma 曲线中的人眼对低亮度变化的感觉比高亮度变化的感觉敏锐特性，如图 6 所示。
热保护功能需调整，使高亮度时采用斜率缓慢下降，让使用者在不知不觉中，达成LED 灯温度调节，以延长使用寿命。
可调整热保护功能 vs. 传统热保护功能曲线有可调整热保护功能的 LED 驱动 IC 与传统热保护功能，输出电流与温度关系图如图 7 所示。量测结果发现明显的可察觉，可调整热保护功能的 LED 驱动 IC 更可以符合用户需求。
结论
可调整式热保护功能 LED 驱动 IC 可有效的延长灯具使用寿命及提升可靠度，在功率越做越大的 LED 照明市场，为使用者增加一个绝佳的选择。
LED灯具散热问题
一般传统的 LED 灯具以采用铝散热材料作为灯壳，虽有良好的散热效果，但加工复杂、成本高、材质重等缺点。LED 照明灯具散热原理上，需藉由物质内部传导热能的载体导热机理。
其中，金属导热佳主要是因为金属具有自由电子因而能快速传递热能；而塑料因无自由电子，分子振动困难，其热传导主要是材料本身晶格震动的结果，而声子为主要热能载荷者。
相对的，塑料灯壳在设计、性能和成本方面的其他优点，如重量轻（比铝材轻20~40%）、兼具易成形、低成本，而且最为重要的特色是因塑料不导电，具备良好的电气绝缘能力，故非隔离型 LED 照明驱动器采用塑料外壳已是大势所趋。
不过，一般塑料其导热效能相当差，树脂种类材料也直接影响导热好坏，一般塑料导热系数 k 值一般只有 0.2W/（m*K），约为金属铝之 1/1000。无法有效散热及影响 LED 灯具可靠度。
LED灯具可靠度
可靠度的概念，最早始于二次大战，德国在研制 V-1 火箭时，对于每个组件的失效率直接影响整个系统的表现研究。在LED灯具的电源模块中观念相同，其中环境温度的变因更会导致降低LED灯具的可靠度，LED 与驱动电路中所使用的电解电容器于可靠度评估中影响最大。
其中图1 为高亮度白光 LED 的 Tj 温度与使用命关系图，从图中可知 Tj 温度愈低则使用寿命愈长，另外，图2 电解电容器器温度与使用寿命关系图，电源模块中电解电容器使用寿命，也同样与环境温度成反比。
电解电容器毁坏甚至会导致灯具无法使用，故若灯具能随着感测环境温度有效的调整自体温度也就能延长 LED 灯具的使用寿命。因此，如何调整温度为 LED 照明应用中重要之课题。
温度感测
感测温度的实际应用中，热敏电阻器是最为常见且容易取得的温度传感器，其中 LED 灯具电源模块中加入热敏电阻器作为感测温度应用具备有效且低成本的解决方案。
热敏电阻器是由金属氧化物混合后高温烧结而成。所形成的组件拥有随温度而改变电阻值的特性。
其中常见的一大类属于负温度系数热敏电阻（negative temp coefficient thermistor），简称 NTC Thermistor。其电阻值会随着温度上升而下降。
使用热敏电阻器用来作温度感测的三大优点：
1.其具备极高的灵敏度。若采用高阻值的热敏电阻器，灵敏度可高达 10kΩ/ °C。
2.其相对的高阻值。其在 25° C 时的阻值，可以横跨数百至数 MΩ 的选择性。其所拥有的高阻值，降低了由导线阻抗所带来的误差。
3.热敏电阻器提供多样性的组件包装，其中贴片式的极小外形包装，甚至尺寸可缩小到 0201 包装，如图3 所示。在电路设计中可轻易 Layout 于需感测热源的组件周遭。
不过在实务应用上，使用热敏电阻器用来作温度感测，还是有其限制：
1.热敏电阻器为被动电阻器，使用上需由电流流过驱动，故有电流流过即有功率损耗所散发的热能，使用上热敏电阻器需串联大阻值的电阻器限流，以避免热敏电阻器过度自热，反应自体功耗温度，而非感测待测物的温度。
2.热敏电阻器虽拥有较高的阻值与灵敏度，但其温度特性是非线性的，其中图4为兴勤电子 TSMSeries 的热敏电阻阻值对温度的关系图。
如图所示，在需感测的温度范围内电阻阻值对温度变化剧烈，需并联多颗热敏电阻器或是电阻器以修饰温度斜率变化曲线，研发过程中，拉长开发时效，增加成本。
可调整过热保护功能
提供热保护的 LED 驱动 IC，搭配热敏电阻器应用需具备可解决热敏电阻器自热问题等限制，另外，热保护功能的可调整性最为重要，其中包含可任意调整开启及关闭热保护功能的输出电流调节起始点 （TFB）及输出电流截止点 （TCut-off） 以供电路设计，图 5 为可调整过热保护设计示意图。电路开发阶段可以任意调整过热保护功能。
另外，因环境温度上升，LED 电流下降斜率调整以达到调节灯具温度之效能。其 LED 的亮度会随输出电流下降而减少，下降的斜率需符合 gamma 曲线中的人眼对低亮度变化的感觉比高亮度变化的感觉敏锐特性，如图 6 所示。
热保护功能需调整，使高亮度时采用斜率缓慢下降，让使用者在不知不觉中，达成LED 灯温度调节，以延长使用寿命。
可调整热保护功能 vs. 传统热保护功能曲线有可调整热保护功能的 LED 驱动 IC 与传统热保护功能，输出电流与温度关系图如图 7 所示。量测结果发现明显的可察觉，可调整热保护功能的 LED 驱动 IC 更可以符合用户需求。
结论
可调整式热保护功能 LED 驱动 IC 可有效的延长灯具使用寿命及提升可靠度，在功率越做越大的 LED 照明市场，为使用者增加一个绝佳的选择。
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