干货| 延长 LED 照明系统寿命并优化系统成本的方案
LED在室内和室外照明应用的节能和提高照明质量方面具有巨大潜力。此外，LED具有令照明灯具无需维护、使用寿命长的特点，从而在总体成本方面具有明显优势。如要从LED照明灯具较长的使用寿命获益，必须考虑到LED结温是影响LED使用寿命的一个因素。LED实现的新的紧凑型照明设计更突出了高度重视LED照明解决方案的热管理的必要性。
系统制造商正在纷纷通过设计采用适合的散热器、高导热外壳等先进的散热设计技术的系统解决散热问题。一般来说，这些厂家不会考虑将LED驱动器集成电路作为热系统的控制元件。
利用带智能过温保护功能的LED驱动器集成电路提供了额外的控制机制，可以显著延长LED光源的使用寿命，确保额定使用寿命并降低不良产品率。取决于不同的照明制造商和应用，LED照明产品的有效寿命范围为大约20,000小时到5万小时以上，而白炽灯泡的有效寿命不到2000小时。
智能热保护功能可以让系统集成商使用安全裕度较低的散热器，从而有助于降低系统成本。
相较于其它光源，虽然LED效率极高，但用于驱动LED的大部分能量均被转化为热量。LED不像白炽灯泡等其他光源，它只产生很少的红外辐射或没有红外辐射。因此产生的热量必须从LED芯片传导到底板和散热器、外壳或灯具架件。
如果传热系统存在设计或制造缺陷，或系统遭遇极高温度情况，LED、驱动器集成电路或电解电容等其它热敏感器件可能受损。
最新LED驱动器集成电路包含正在申请专利的智能热管理技术可以帮助系统避免因改良的LED系统设计而导致的热衰竭。
···LED 使用寿命取决于温度
优质的LED通常是耐用型器件，在适当的工作条件下LED工作时间可以超过100,000小时。LED的寿命与其所处的结温有直接关系，结温升高会显著缩短其工作寿命。
图1 显示了两个相同的LED经过加速老化(实验数据根据10,000小时的实验及相应的推算获得)后的光输出，这两个LED由相同的电流驱动，但Tj相差11K。预计使用寿命(定义为70%的流明维持率)从37,000小时左右缩短至16,000小时，结温仅增加11K就令使用寿命缩短57%。
图 1：结温是影响LED使用寿命的一个因素(来源：EOS)
···不同的热保护方法
散热设计通常集中在散热器和PCB的设计上，而没有考虑LED驱动器集成电路和驱动电路的热管理。LED驱动器集成电路的智能过温保护可显著延长LED光源的使用寿命。
LED驱动器集成电路的温度保护可采用多种方式实现。部分LED驱动器器件包含可安装外部温度传感器的检测引脚。可在LED照明应用中使用各种温控器件，包括二极管、片上传感器、正温度系数(PTC)或负温度系数(NTC)热敏电阻器以避免LED过热。
NTC热敏电阻器由于它们较小的封装尺寸和极具吸引力的性价比，常常是许多应用的温度感测和控制的首选器件。但是精度、响应时间和温度梯度取决于NTC热敏电阻器的安装方式。一旦精确地感测到温度，就必须考虑对过热情况做出响应。一般的响应是在检测到临界温度时马上关断LED的电流。
当温度下降或等待至一个电源周期重新开始时可再“重启”这些设备。这些方法的相关缺点有：- 突然关机的方法导致需要设置在极高的温度下关机以避免不正确地触发关机。这样虽然可避免至命失效，但较高温度值会明显缩短LED的使用寿命。 - 关断LED电流意味着突然关掉LED灯。这可能会导致在公共场所出现恐慌等严重局面。 - 当系统冷却后大多数驱动器会自动重新启动。重新启动后，系统将升温并会再次关机，从而产生令人不悦的闪烁效果。 - 出现故障后锁存关断模式的驱动器需要上电复位，而这通常是很难实现甚至是不可能的。
在与安全相关的应用(如紧急出口照明、逃生路线、紧急停机开关等)中，简单地关断LED驱动器是不够的，因为维持照明十分重要。这种关断行为在非安全相关应用中可能还未达到要求，因为在极端条件下光输出不可或缺，例如在热环境下。
最后，减少操作LED驱动器和保护驱动器以及 LED 所需的外围元件的做法是可取的。提供热保护所需的元件应是经济的而且易于集成到照明装置上。
···在LED驱动器集成电路上实施的智能过温保护
英飞凌科技有一项授权专利用于LED的电流控制技术，包括温度传感器和触发电路以提供随温度而变的LED输出电流，以避免LED过热。这项技术利用LED驱动器集成电路充当热传感器，通过斜率调光特性和启动热保护的可调触发温度来克服传统LED系统设计的局限性。
这项新技术应用在带高端电流感测的ILD6150和ILD6070 DC/DC滞后降压LED驱动器(图 2)。
图 2：新ILD6070驱动器的应用电路：在LED驱动器集成电路焊点温度阈值触发电流下降，该阈值可通过连接 Tadj引脚的外部电阻器进行调节
此智能温度保护可为LED系统集成商提供以下主要益处：1) 将驱动器集成电路作为提供热保护的热传感器节省系统成本
驱动器集成电路可作为参考温度用来确定驱动器与LED热耦合系统中的LED温度。这样可以节省NTC、额外的布线和连接器引脚的成本。此外，还可简化热保护设计。
如果驱动器集成电路不能通过紧密热耦合进行安装，ILD6系列驱动也可使用外部NTC传感元件来保护系统(图3)。NTC热敏电阻器应放在靠近LED的位置以精确地检测LED 的温度。
图 3：根据不同的应用，新的驱动器集成电路可以使用内部温度保护，也可使用外部NTC进行热保护
2) 通过斜率调光机制保护 LED 的使用寿命
采用集成斜率调光机制降低LED的平均电流，通过降低结温来保护LED的使用寿命。
保护电路应能为LED提供具有平稳保护特性的理想电源，因为突然关闭电源会导致灯闪烁。
如果通过新的LED驱动器驱动的光源暴露于比热设计预计的更高的温度下，驱动器集成电路将以斜率调光的方式连续降低LED的平均电流，而不是突然降低电流。
这种连续的调整使系统达到平衡点，能够在光输出减少的异常条件下维持光源持续工作。如果额外的热负荷超过热平衡，这种逐渐降低的情况会持续到达到LED目标平均电流的25%(最低值)，而光源将继续提供亮度至少为目标光输出25%的光输出。
智能斜率调光机制使客户可以根据主要的操作温度范围设计照明解决方案。智能斜率调光功能可以为可能损坏LED系统、不可预见的峰值温度条件提供保护。这为根据散热器尺寸设计较低安全裕度提供了选择方案，从而节省系统成本。
这种方法所依据的一般概念如图4所述。LED驱动器与LED(或LED的串联电路)耦合并经配置为LED提供负载电流iL。LED驱动器根据内部驱动信号VDRIVE产生负载电流iL，使平均负载电流与驱动信号相匹配。
因此，驱动信号间接地决定了平均负载电流，从而也决定了LED的发光密度。温度测量电路产生的驱动信号VDRIVE取决于温度。LED驱动器应放置在靠近LED的位置以便精确检测温度。
图 4：可调温度保护的基本概念
当达到特定的第一个温度(图4中的T1)时，驱动电压VDRIVE将下降。随着温度继续升高，驱动电压VDRIVE将持续下降。当超过特定的第二个温度(T2)时，驱动电压基本保持不变。但是当温度继续上升并超过最高温度TMAX时，热关机将启动。
3) 通过调节热保护的触发点优化热系统的使用寿命和成本 照明设备制造商可根据最终用户和应用需求通过选择低成本外部电阻的数值来调节触发保护的温度。
触发电流下降的LED驱动器集成电路结温的阈值温度可通过外部电阻进行调节。触发点和相关配置信息可通过连接在Tadj引脚和GND引脚之间的电阻进行设置(见图2)。基于这种可调节的方法，在高温下电流下降的起始点可以根据具体的LED灯的要求进行设计。
因此，灯系统设计师可以在成本和使用寿命方面对产品进行优化。如果必须向最终用户确保较长的使用寿命，系统集成商可能决定将触发点调节至较低的温度。
如果系统成本是主要的竞争标准，触发点可以设置在较高的温度以确保较高温度下的标称光输出以及通过集成电路的热保护功能来保护系统，而不是增加散热器的尺寸以应对系统极端的工作环境。
由于LED的结温更高，这种LED系统的使用寿命会比最初提及的设计寿命更短。
图5：智能过温保护电路的简化框图
值得注意的是，散热器的设计必须能够在正常操作期间保持LED的工作温度范围。
图6显示了使用0Ω、10KΩ、20kΩ、35kΩ 和 Tadj引脚开路时LED输出电流的占空比相对于 ILD6070 驱动器结温的测量结果。
图 6：可调节触发点规定了斜率的起始点和形状
4) 通过 PWM 调光方法在热保护期间保持色温
通过在热保护期间产生内部PWM调光信号进行调光，确保色温不发生变化。由于色温几乎不变，最终用户可能觉察不到该LED系统正处于热保护模式。
一旦超过集成电路斜率特征的某个温度触发点，将启动集成式温度保护电路以通过内部PWM调制减小LED的电流。
LED电流将通过改变热保护模式下内部产生的1.6kHzPWM信号的占空比进行调制。因此LED产生的输出光也将由 PWM脉冲进行调制。具有PWM调光输出的关键优势在于波长光谱保持不变，因此光的颜色也保持不变。
如图 7所示，波长光谱仅按照可调节的外部电阻不同设置的幅度相应减小。对于这种实验设置，用LED加热模块且周围的空气温度高达120℃，集成电路将在热保护模式下工作。
图 7：热保护期间PWM调制光输出使色温保持不变
···新一代 LED驱动器
实现所述智能热保护技术的新一代驱动器包括滞后降压LED驱动器集成电路，该电路用于驱动一般照明应用中的高功率LED。由于具有较宽的电源电压范围，因此新一代LED驱动器适合各种LED应用。
多功能PWM输入信号可通过模拟直流电压或外部PWM信号对LED进行调光。
新ILD6070/ILD6150驱动器的主要特点： § 输入电压范围较宽，从4.5V至60V § 能够提供高达0.7A/1.5A的输出电流 § 开关频率高达1MHz § 软启动功能 § 可进行模拟和PWM调光 § 用于模拟调光输入的集成式PWM发生器 § 输出电流精度典型值为3% § LED电流温漂极小 § 热保护期间无色漂 § 可调过温保护，通过减少电流降低热负荷
···总结
部署优质、耐用的LED照明系统时一个关键挑战是如何控制从LED元件及电子器件发出的热量。除了设计散热器，照明设备设计师还应考虑其他方法，以控制PCB的高热负荷。
新一代LED驱动器采用了本文所述的正在申请专利的智能热管理技术，该技术可显著改善LED装置的使用寿命和成本。
这为照明设备制造商和最终用户带来诸多益处：- 通过延长LED系统的使用寿命降低总体拥有成本- 热保护模式下灯具无故障，在大多数情况下可提供足够的照明- 降低热保护的系统成本，这是由于 o 如果驱动器集成电路可与LED热耦合，则无需NTC o 可优化散热器的设计- 灵活性 o 根据驱动器集成电路和LED之间的距离，在有/无NTC的情况下使用LED驱动器集成电路 o 根据最终用户和应用需求调整启动热保护的触发温度
关于作者Bernd Pflaum，硕士工程师，在德国达姆施塔工业大学学习电信工程，主修射频工程。自2007 年起，他担任英飞凌科技公司的首席工程师，负责线性开关模式LED驱动器的概念与开发。Bernd Pflaum研发了本文所述的正在申请专利的LED温度保护电路。 HakanYilmazer是英飞凌科技公司照明应用的技术营销负责人，负责照明应用蓝图以及为照明应用提供系统解决方案。Hakan Yilmazer担任英飞凌科技公司销售和市场营销高层职位，而且多年来一直是 LED 驱动器事业部的负责人。
系统制造商正在纷纷通过设计采用适合的散热器、高导热外壳等先进的散热设计技术的系统解决散热问题。一般来说，这些厂家不会考虑将LED驱动器集成电路作为热系统的控制元件。
利用带智能过温保护功能的LED驱动器集成电路提供了额外的控制机制，可以显著延长LED光源的使用寿命，确保额定使用寿命并降低不良产品率。取决于不同的照明制造商和应用，LED照明产品的有效寿命范围为大约20,000小时到5万小时以上，而白炽灯泡的有效寿命不到2000小时。
智能热保护功能可以让系统集成商使用安全裕度较低的散热器，从而有助于降低系统成本。
相较于其它光源，虽然LED效率极高，但用于驱动LED的大部分能量均被转化为热量。LED不像白炽灯泡等其他光源，它只产生很少的红外辐射或没有红外辐射。因此产生的热量必须从LED芯片传导到底板和散热器、外壳或灯具架件。
如果传热系统存在设计或制造缺陷，或系统遭遇极高温度情况，LED、驱动器集成电路或电解电容等其它热敏感器件可能受损。
最新LED驱动器集成电路包含正在申请专利的智能热管理技术可以帮助系统避免因改良的LED系统设计而导致的热衰竭。
···LED 使用寿命取决于温度
优质的LED通常是耐用型器件，在适当的工作条件下LED工作时间可以超过100,000小时。LED的寿命与其所处的结温有直接关系，结温升高会显著缩短其工作寿命。
图1 显示了两个相同的LED经过加速老化(实验数据根据10,000小时的实验及相应的推算获得)后的光输出，这两个LED由相同的电流驱动，但Tj相差11K。预计使用寿命(定义为70%的流明维持率)从37,000小时左右缩短至16,000小时，结温仅增加11K就令使用寿命缩短57%。
图 1：结温是影响LED使用寿命的一个因素(来源：EOS)
···不同的热保护方法
散热设计通常集中在散热器和PCB的设计上，而没有考虑LED驱动器集成电路和驱动电路的热管理。LED驱动器集成电路的智能过温保护可显著延长LED光源的使用寿命。
LED驱动器集成电路的温度保护可采用多种方式实现。部分LED驱动器器件包含可安装外部温度传感器的检测引脚。可在LED照明应用中使用各种温控器件，包括二极管、片上传感器、正温度系数(PTC)或负温度系数(NTC)热敏电阻器以避免LED过热。
NTC热敏电阻器由于它们较小的封装尺寸和极具吸引力的性价比，常常是许多应用的温度感测和控制的首选器件。但是精度、响应时间和温度梯度取决于NTC热敏电阻器的安装方式。一旦精确地感测到温度，就必须考虑对过热情况做出响应。一般的响应是在检测到临界温度时马上关断LED的电流。
当温度下降或等待至一个电源周期重新开始时可再“重启”这些设备。这些方法的相关缺点有：- 突然关机的方法导致需要设置在极高的温度下关机以避免不正确地触发关机。这样虽然可避免至命失效，但较高温度值会明显缩短LED的使用寿命。 - 关断LED电流意味着突然关掉LED灯。这可能会导致在公共场所出现恐慌等严重局面。 - 当系统冷却后大多数驱动器会自动重新启动。重新启动后，系统将升温并会再次关机，从而产生令人不悦的闪烁效果。 - 出现故障后锁存关断模式的驱动器需要上电复位，而这通常是很难实现甚至是不可能的。
在与安全相关的应用(如紧急出口照明、逃生路线、紧急停机开关等)中，简单地关断LED驱动器是不够的，因为维持照明十分重要。这种关断行为在非安全相关应用中可能还未达到要求，因为在极端条件下光输出不可或缺，例如在热环境下。
最后，减少操作LED驱动器和保护驱动器以及 LED 所需的外围元件的做法是可取的。提供热保护所需的元件应是经济的而且易于集成到照明装置上。
···在LED驱动器集成电路上实施的智能过温保护
英飞凌科技有一项授权专利用于LED的电流控制技术，包括温度传感器和触发电路以提供随温度而变的LED输出电流，以避免LED过热。这项技术利用LED驱动器集成电路充当热传感器，通过斜率调光特性和启动热保护的可调触发温度来克服传统LED系统设计的局限性。
这项新技术应用在带高端电流感测的ILD6150和ILD6070 DC/DC滞后降压LED驱动器(图 2)。
图 2：新ILD6070驱动器的应用电路：在LED驱动器集成电路焊点温度阈值触发电流下降，该阈值可通过连接 Tadj引脚的外部电阻器进行调节此智能温度保护可为LED系统集成商提供以下主要益处：1) 将驱动器集成电路作为提供热保护的热传感器节省系统成本
驱动器集成电路可作为参考温度用来确定驱动器与LED热耦合系统中的LED温度。这样可以节省NTC、额外的布线和连接器引脚的成本。此外，还可简化热保护设计。
如果驱动器集成电路不能通过紧密热耦合进行安装，ILD6系列驱动也可使用外部NTC传感元件来保护系统(图3)。NTC热敏电阻器应放在靠近LED的位置以精确地检测LED 的温度。
图 3：根据不同的应用，新的驱动器集成电路可以使用内部温度保护，也可使用外部NTC进行热保护2) 通过斜率调光机制保护 LED 的使用寿命
采用集成斜率调光机制降低LED的平均电流，通过降低结温来保护LED的使用寿命。
保护电路应能为LED提供具有平稳保护特性的理想电源，因为突然关闭电源会导致灯闪烁。
如果通过新的LED驱动器驱动的光源暴露于比热设计预计的更高的温度下，驱动器集成电路将以斜率调光的方式连续降低LED的平均电流，而不是突然降低电流。
这种连续的调整使系统达到平衡点，能够在光输出减少的异常条件下维持光源持续工作。如果额外的热负荷超过热平衡，这种逐渐降低的情况会持续到达到LED目标平均电流的25%(最低值)，而光源将继续提供亮度至少为目标光输出25%的光输出。
智能斜率调光机制使客户可以根据主要的操作温度范围设计照明解决方案。智能斜率调光功能可以为可能损坏LED系统、不可预见的峰值温度条件提供保护。这为根据散热器尺寸设计较低安全裕度提供了选择方案，从而节省系统成本。
这种方法所依据的一般概念如图4所述。LED驱动器与LED(或LED的串联电路)耦合并经配置为LED提供负载电流iL。LED驱动器根据内部驱动信号VDRIVE产生负载电流iL，使平均负载电流与驱动信号相匹配。
因此，驱动信号间接地决定了平均负载电流，从而也决定了LED的发光密度。温度测量电路产生的驱动信号VDRIVE取决于温度。LED驱动器应放置在靠近LED的位置以便精确检测温度。
图 4：可调温度保护的基本概念
当达到特定的第一个温度(图4中的T1)时，驱动电压VDRIVE将下降。随着温度继续升高，驱动电压VDRIVE将持续下降。当超过特定的第二个温度(T2)时，驱动电压基本保持不变。但是当温度继续上升并超过最高温度TMAX时，热关机将启动。
3) 通过调节热保护的触发点优化热系统的使用寿命和成本 照明设备制造商可根据最终用户和应用需求通过选择低成本外部电阻的数值来调节触发保护的温度。
触发电流下降的LED驱动器集成电路结温的阈值温度可通过外部电阻进行调节。触发点和相关配置信息可通过连接在Tadj引脚和GND引脚之间的电阻进行设置(见图2)。基于这种可调节的方法，在高温下电流下降的起始点可以根据具体的LED灯的要求进行设计。
因此，灯系统设计师可以在成本和使用寿命方面对产品进行优化。如果必须向最终用户确保较长的使用寿命，系统集成商可能决定将触发点调节至较低的温度。
如果系统成本是主要的竞争标准，触发点可以设置在较高的温度以确保较高温度下的标称光输出以及通过集成电路的热保护功能来保护系统，而不是增加散热器的尺寸以应对系统极端的工作环境。
由于LED的结温更高，这种LED系统的使用寿命会比最初提及的设计寿命更短。
图5：智能过温保护电路的简化框图
值得注意的是，散热器的设计必须能够在正常操作期间保持LED的工作温度范围。
图6显示了使用0Ω、10KΩ、20kΩ、35kΩ 和 Tadj引脚开路时LED输出电流的占空比相对于 ILD6070 驱动器结温的测量结果。
图 6：可调节触发点规定了斜率的起始点和形状
4) 通过 PWM 调光方法在热保护期间保持色温
通过在热保护期间产生内部PWM调光信号进行调光，确保色温不发生变化。由于色温几乎不变，最终用户可能觉察不到该LED系统正处于热保护模式。
一旦超过集成电路斜率特征的某个温度触发点，将启动集成式温度保护电路以通过内部PWM调制减小LED的电流。
LED电流将通过改变热保护模式下内部产生的1.6kHzPWM信号的占空比进行调制。因此LED产生的输出光也将由 PWM脉冲进行调制。具有PWM调光输出的关键优势在于波长光谱保持不变，因此光的颜色也保持不变。
如图 7所示，波长光谱仅按照可调节的外部电阻不同设置的幅度相应减小。对于这种实验设置，用LED加热模块且周围的空气温度高达120℃，集成电路将在热保护模式下工作。
图 7：热保护期间PWM调制光输出使色温保持不变
···新一代 LED驱动器
实现所述智能热保护技术的新一代驱动器包括滞后降压LED驱动器集成电路，该电路用于驱动一般照明应用中的高功率LED。由于具有较宽的电源电压范围，因此新一代LED驱动器适合各种LED应用。
多功能PWM输入信号可通过模拟直流电压或外部PWM信号对LED进行调光。
新ILD6070/ILD6150驱动器的主要特点： § 输入电压范围较宽，从4.5V至60V § 能够提供高达0.7A/1.5A的输出电流 § 开关频率高达1MHz § 软启动功能 § 可进行模拟和PWM调光 § 用于模拟调光输入的集成式PWM发生器 § 输出电流精度典型值为3% § LED电流温漂极小 § 热保护期间无色漂 § 可调过温保护，通过减少电流降低热负荷
···总结
部署优质、耐用的LED照明系统时一个关键挑战是如何控制从LED元件及电子器件发出的热量。除了设计散热器，照明设备设计师还应考虑其他方法，以控制PCB的高热负荷。
新一代LED驱动器采用了本文所述的正在申请专利的智能热管理技术，该技术可显著改善LED装置的使用寿命和成本。
这为照明设备制造商和最终用户带来诸多益处：- 通过延长LED系统的使用寿命降低总体拥有成本- 热保护模式下灯具无故障，在大多数情况下可提供足够的照明- 降低热保护的系统成本，这是由于 o 如果驱动器集成电路可与LED热耦合，则无需NTC o 可优化散热器的设计- 灵活性 o 根据驱动器集成电路和LED之间的距离，在有/无NTC的情况下使用LED驱动器集成电路 o 根据最终用户和应用需求调整启动热保护的触发温度
关于作者Bernd Pflaum，硕士工程师，在德国达姆施塔工业大学学习电信工程，主修射频工程。自2007 年起，他担任英飞凌科技公司的首席工程师，负责线性开关模式LED驱动器的概念与开发。Bernd Pflaum研发了本文所述的正在申请专利的LED温度保护电路。 HakanYilmazer是英飞凌科技公司照明应用的技术营销负责人，负责照明应用蓝图以及为照明应用提供系统解决方案。Hakan Yilmazer担任英飞凌科技公司销售和市场营销高层职位，而且多年来一直是 LED 驱动器事业部的负责人。
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