不容忽视LED驱动IC的热管理

     在过去,发光二极管(LED)仅仅被用作指示灯。其功耗低、电流更低,而且所产生的热量也不是问题。然而,时代已经变了。如今LED的电流已经由几毫安升级到安培;在某些情况下,LED的功率已经从几毫瓦跳跃到10W以上;而LED所产生的热量——好吧,可以肯定地讲,现在已经成了一个不容忽视的问题。在过去,发光二极管的功率是如此低,所以废热非常低,,并且基本上就没有被烧坏过,美国国家半导体技术专家Rick Zarr表示：“然而新款LED所产生的热量很大,所以如果你不加以正确的控制,就会对它们的使用寿命造成很大的影响。一个LED灯泡原本可以用10,20或30年,但如果你控制不当,可能两年就报废了。

　　这就是为什么项目工程师现在需要关注LED驱动器。最简单的,驱动器控制输入电流和输入电压,然后重新配置它们供 LED使用。在这个方面来说,驱动器很像在荧光灯上使用了几十年的镇流器。

　　虽然,从另一方面来看来,驱动器变得越来越复杂,这使得它们在高功率、高电流、高热量LED的新时代里发挥着更加重要的作用。当前的驱动器所具备的功能放到十年前是无法想象的。例如,通过感应电流,他们可以估算LED的亮度等级并对其做相应的改变。他们可以补偿诸如热量或老化之类的变化,甚至可以将LED用于照明应用。此外,通过使用“热量返送”方案,可以避免LED的热量达到损害其使用寿命的极限值。

　　要感谢这类创新,发光二极管的新品正在许多无法预见的应用中寻找一个归宿。汽车将LED用作?车灯、“后视镜脚灯(注：后视镜脚灯就是安装在汽车两侧反光镜下面可以向下照亮车身周围的灯,在进入比较暗的停车库时使车轮廓显得非常漂亮,也可在荒地里照亮泥泞的道路)”甚至是前灯。电视机将LED用作背光;市政部门将LED用作街灯;而消费类电子制造商正在将它们用于上网本、平板电脑和GPS系统。

　　“LED的发展一年比一年好”,德州仪器公司照明电源产品市场营销经理Peter Di Maso表示。 “这些改进使得LED可被用于一般照明,这就是为什么对更好的驱动器存在这么迫切的需求。”

　　避免发热

　　对于驱动器制造商而言,挑战在于要在一个小封装内添加必要的特性。驱动器芯片非常小,尺寸通常为10 × 10毫米或更小。并且,随着LED制造商将LED纳入灯泡设计以取代白炽灯泡,未来的驱动器芯片需要做成更小的尺寸。

　　随着它们转向这类应用,驱动器需要具备避免发光二极管过热的能力。为了做到这一点,很多供应商倾向于通过向客户销售散热器和风扇来帮助散热。尽管越来越多的LED用户希望在LED需要进行散热之前将其热量降到最低,而解决这一问题就要从驱动器下手。

　　“在理想情况下LED使用寿命可以达到几千小时“,Bowling表示。 “但是,要实现这一点,必须让LED在其正常的工作温度范围内工作。如果你将LED放在一个狭小的空间里,那么你需要解决如何散热的问题。”

　　驱动器制造商正在通过开发更新更好的特性来帮助工程师处理这类问题 。例如,美国国家半导体公司已将一个为“热量返送(thermal foldback)”的特性整合到多款器件---LM3464和LM3424。通过采用热量返送机制,新款器件可以调节电流,以使LED始终工作在其最大工作范围内。

　　“热量返送并不完全是设计用于出于保护灯泡的目的而进行的散热。”Zarr表示。 “如果你所处的情况是LED正在接近其工作临界温度,驱动器会将折返电流并将灯泡调暗。”

　　驱动器还将给LED用户其它理由来限制流经器件的电流。例如,Analog Devices公司可以用其ADP1650驱动器来控制常被用于相机闪光灯的高亮度LED中的电流。

　　“从亮度的角度来看,可以通过电流轻松地对LED进行控制”,ADI公司的电源管理部技术总监Jose Rodriguez表示。 “因此,我们在我们的驱动器内部设置电流并且对其进行严密控制。”

　　控制调光器

　　专家指出,在过去几年里,零部件厂商让驱动器的功能更加强大。交流控制三极管(TRIAC)调光电路长期以来被视作是半导体照明的难题,如今可以和LED一同使用。专家称,通过在这类电路使用LED,这将促成许多面向家庭、商业和工业照明的新应用的出现。

　　“当人们在真正的转向LED灯泡的时候,他们不希望改变其基础设施,” Zarr表示。 “他们不希望必须将调光器从墙上拿走。这就是为什么我们需要一款针对调光应用的解决方案。”

　　美国国家半导体的LM3445就是一个调光解决方案的例子。LM3445整合了用于读取标准 TRIAC调光器调光信号的电路,并将这一信息转换成脉宽调制电流来驱动LED。

　　德州仪器的TPS92010解决了一个TRIAC-LED方案中常见的功耗问题。TPS92010集成了一个在TRIAC使用过程中不会产生功耗的电路。

　　“仅在光源的电压输入是零的情况下才会有电流,所以功耗是零瓦,”德州仪器(TI)的Di Maso表示。 TI向那些希望将这一功能整合到其所设计灯泡的工程师们提供了一款评估模块。

　　增加的智能

　　因为驱动器制造商希望增加新的功能,他们还在产品整合了微控制器。板载智能使得基于微控制器的驱动器成为实现调光这类功能的最佳候选,因为这使其能够监测各项功能,然后有针对地做出决定。

　　“驱动器可以使用系统的输入——在本案例中是来自TRIAC调光器的输入,” Microchip公司的Bowling表示。 “它可以读取线性电压。它可以读取TRIAC调光器的占空比。它可以监测LED的工作电压和温度。然后,它再做出决定以保持系统在所选定的亮度等级下正常运行。”

　　Microchip提供了面向驱动器应用8位微控制器系列产品和16位数字信号控制器系列产品。8位微控制器PIC16F785整合了模拟外设,包括运算放大器、比较器和12通道10位A / D转换。“可以在微处理器上的搭建模块,”Bowling称,“你可以采用模拟器件来调节驱动器和微处理器,以促进这一功能。”

　　Microchip的16位dsPIC 33GS数字信号控制器系列向前迈进了一步,整合了极高速的A / D转换器,使得它们能够实时收集数据。因此,dsPIC系统允许开发人员拓展更先进的应用,包括调光、热保护和颜色控制。

　　同样,德州仪器提供面向LED驱动器应用的Piccolo系列微控制器。在一个DC/DC式LED开发工具包中,该技术采用一个MCU来控制LED灯串。该套件旨在锁定那些想要在高功率应用场合下使用LED,且不用经常更换灯泡的客户。其应用范围包括路灯、停机坪、工业照明,这些场所的用户不希望频繁更换烧坏的灯泡。

　　“Piccolo微控制器可以通过远程命令将特定的LED灯串设定在指定等级的亮度”,德州仪器C2000微控制器营销经理Charlie Ice表示。 “它可以检测电流和确定其亮度等级,并且可以针对情况进行补偿。在一个 LED已经老化或过热的情况,它也可以弥补这一不足。”

　　没有“万能型解决方案”

　　在几乎所有LED应用中,专家指出,效率是诱发因素。与白炽灯泡相比,有很多白炽灯泡现在采用数字化控制在特定时间开启和关闭,以达到省电,而LED不是一定需要智能控制机制。LED的效率是如此之高,几乎超出了任何产品,使得其几乎无须推行智能控制。

　　这也是为什么汽车制造商已经在尾灯、车内照明及车头灯中采用LED。在某些情况下,LED可以支持30万英里的行程,其使用寿命超过了其所在车辆。因此,汽车设计师们很是积极地在车辆车身整合LED模块,他们知道该模块可能永远也不用更换。这样,反过来,使得设计人员可以更加充分地发挥其创造能力,他们发现整合封装模块会更加容易。

　　出于同样的考虑,设计工程师也在GPS系统、上网本,平板电脑和电视背光源系统中用到了LED。随着亮度提高和成本下降,高效率的LED变得更有意义。“当然,也有用于开启和关闭照明系统的动态机制”,National Instruments公司的Zarr表示。 “但最简单的机制,是首先用效率更高的东西来替代灯泡”。

　　这就是为什么驱动器将一直会是LED方案的一个重要组成部分。驱动器让发光二极管灯泡保持低温,并且延长了灯泡的寿命。此外,LED业界缺乏标准则意味着今后仍需要有大量的驱动器解决方案,尤其是在新应用不断增长的情况下。
　　“LED产业现在正处在演变阶段”,Microchip公司Bowling 表示。“我们一直需要新的解决方案。因为没有适用所有应用场合的万能型解决方案。”

　　需求不断增长

　　当然,并非所有形式的照明都需要驱动器。例如,长期以来,白炽灯泡被优化以适用于我们常用的110V电源,因此不需要额外的电路来适配输入电流到输出。

　　然而,发光二极管要更复杂一些。“使用LED时,你首先需要了解输入电源及其变化”,Microchip公司的8位微控制器产品部门应用经理Steve Bowling表示,“在输出端,工程师们要需要知道自己的光学要求和想要产生的流明值。最后,最终目标是让驱动器提供一个恒流源给LED。”

　　要感谢被称之为 Haitz定律的现象,尽管驱动LED变得更加复杂和更加有必要。 Haitz定律---一条以安捷伦科技公司的一位退休科学家Roland Haitz的名字命名的定律---指出,产生1流明的LED成本每10年下降10倍,而每个封装所产生的亮度会增加20倍。对于LED用户而言,Haitz定律意味着需求增加,这反过来又意味着开发新技术的任务流向了下游.