利用熱反饋控制LED溫升研究

　　利用LED實(shí)現(xiàn)高亮度照明要求使用廠商允許的最大電流驅(qū)動(dòng)，但LED的平均壽命高度取決于工作溫度。工作溫度僅上升10°C便可使其壽命縮短一半。這種情況迫使設(shè)計(jì)人員必須降低調(diào)節(jié)電流，犧牲亮度來延長(zhǎng)使用壽命。如果要求LED在較高的環(huán)境溫度下工作，則必須進(jìn)一步降低電流來最小化環(huán)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(huì)降低中低環(huán)境溫度范圍的照明亮度。本質(zhì)上來說，我們是通過降低亮度來實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境工作的。圖1顯示了一個(gè)使用熱敏電阻控制運(yùn)算放大器 (op amp) 的LED驅(qū)動(dòng)電路，其在LED電路板溫度上升時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電流。

　　圖1 檢測(cè)溫度上升時(shí)運(yùn)算放大器降低LED電流。

　　LED陣列電流通過檢測(cè)電流檢測(cè)電阻器R7的電壓來調(diào)節(jié)，并用作控制器的反饋控制，例如：TPS40211等。運(yùn)算放大器電路（包括R9），向反饋節(jié)點(diǎn)（FB）注入一個(gè)電流以降低調(diào)節(jié)電流，或者灌入它的電流來增加調(diào)節(jié)電流。FB節(jié)點(diǎn)電壓保持0.26V恒定不變。提高運(yùn)算放大器輸出（TP1）的電壓，必須通過降低R7電壓來獲得補(bǔ)償，從而降低LED電流。當(dāng)運(yùn)算放大器輸出剛好為0.26V時(shí)，注入電流為零，而LED調(diào)節(jié)不受影響。

　　熱敏電阻RT1是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）器件。25°C下它的標(biāo)稱電阻為10K歐姆，但在–40°C下增加至300K歐姆以上，而在100°C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(diào)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(diào)節(jié)的偏置電壓非常重要，因?yàn)殡娐返木_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(huán)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(shù)據(jù)。僅有LED和熱敏電阻在該溫度范圍工作。熱敏電阻檢測(cè)到的溫度繪制成曲線圖，與環(huán)境溫度相比較。我們將計(jì)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(jié)點(diǎn)到機(jī)箱熱阻抗（8°C/W）。我們可以看到，高環(huán)境溫度條件下，運(yùn)算放大器電路會(huì)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(huán)境溫度，因?yàn)長(zhǎng)ED電流幾乎為零。這樣，便可實(shí)現(xiàn)LED芯片溫度穩(wěn)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(yù)計(jì)值非常匹配。

　　圖2 環(huán)境溫度上升，LED電流降低，從而達(dá)到更低的芯片溫升速率。

　　總結(jié)

　　高溫環(huán)境下，使用驅(qū)動(dòng)高功率LED會(huì)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(yīng)用中這種方法可能并不實(shí)用。但是，這種電路可以延長(zhǎng)LED在極端環(huán)境下的有效使用壽命。