當高亮度LED的前向電流增加而封裝尺寸減小，熱逸散及災難性故障的潛在也隨之增加。在眾多LED應用中，由于極端的高溫環(huán)境，需要更高級別的保護。
熱折返是減少LED故障及避免因為過熱而導致LED壽命縮短的常用方法。這種控制方法使用一個與溫度成反比的信號，在設置溫度斷點后降低LED的電流。
以下介紹兩個例子：一個100W路燈應用和一個12W的軍用手電筒應用。這兩個實例介紹了較為復雜的系統(tǒng)與較為簡單的系統(tǒng)間的區(qū)別及各自的設計流程。
背景
在使用大功率LED的傳統(tǒng)照明應用中，需要大的散熱器來排出LED所釋放的熱量。LED自身不散熱，相反，它們通過半導體結(jié)點來傳導熱量。此傳導功率（PD）等于前向電壓（VF）和前向電流（IF）的乘積。
PD=VF×IF
為了保持一個安全的LED結(jié)點溫度，必須消除這個傳導功率。需要對系統(tǒng)中的熱阻抗進行分析，才能在額定功率下定制一個散熱器以確保期望的熱特性 。
一個典型的大功率LED將通過其器件、錫焊連接點、印刷電路板和散熱器來消耗大部分功率。如圖1所示。使用這個簡單的模型，計算就相當簡單。LED結(jié)點的功率耗散（PD），必須通過結(jié)點-環(huán)境的總熱阻（θJA）分配，這一點與電流通過電氣電阻時極其相像。
由此產(chǎn)生的結(jié)點溫度（TJ）和環(huán)境溫度（TA）之間的溫度差（TJ-TA）等于一個電氣電壓（歐姆定律的熱當量）：
TJ-TA=PD×θJA
θJA 指下列各值的總和。
θJS：結(jié)點至錫焊點熱阻；
θSH：錫焊點至散熱器熱阻；
θHA：錫焊點至環(huán)境熱阻。
θJS代表內(nèi)部的LED熱阻，而θSH代表印刷電路板（PCB）電介質(zhì)和結(jié)點熱阻。最后，θHA代表散熱器熱阻，θJS值為LED制造商數(shù)據(jù)表中指定值，并且是一個簡單的LED封裝函數(shù)。它可以在2~15℃/W的范圍內(nèi)變化。假如從錫焊點到散熱器的連接良好（包括：多重熱導通孔，適量的銅，良好的焊接和可能用到的導熱膠），θSH則基本上可以忽略不計。這將產(chǎn)生一個小于2℃/W的極低θSH值。
θHA保持不變，因為它更多地取決于散熱器表面積及其導熱性能。在標準的FR4印刷電路板上（近似于LED的尺寸），沒有外部散熱器，僅有底部覆銅層，θHA值可能會非常大，超過100℃/W。通過圖1所示的外部散熱器，可降低熱阻來保持理想的溫度差 （TJ-TA）。熱設計需要根據(jù)下列θHA方程式，選擇合適的散熱器：
通過該方程可以很容易算出，如果功率增加或允許的溫度差降低，那么必要的熱阻將隨之降低，而這相當于需要一個更大的散熱器。
實際應用中 ，在系統(tǒng)使用壽命期內(nèi)，由于存在前向電壓及其他電子偏差，輸出LED功率會增加5%~10%前向?？赡艿臏囟壬仙秶韪鶕?jù)最差情況下預計的TA值計算。此外，在制造商規(guī)定的規(guī)格中，通常會降低最大允許的TJ值，以確保LED使用壽命和效率不會降低 。這些容差迫使我們提升最壞情況下的散熱設計標準，要比標定時提高25%~50%。
LED驅(qū)動器
這些LED僅僅是具有LED驅(qū)動器主控機制的動態(tài)系統(tǒng)的組成之一。高亮度LED驅(qū)動器通常是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器支持其工作。轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以提供一個近似于恒定的LED光通量輸出。驅(qū)動器可適應不斷變化的動態(tài)情況，提供連續(xù)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)電氣穩(wěn)定性。在最常見的LED驅(qū)動器中，需要對輸出電流進行調(diào)節(jié)，因為它與輸出通量有著密切的關(guān)系并易于做出調(diào)整。
盡管電氣穩(wěn)定性是控制方案的根本，但熱平衡是可控變量（LED電流）和不可控變量（環(huán)境）的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度從25℃的室溫增高時，LED的前向電壓降低。因為電流被不斷調(diào)整，因此功率降低，最終達到實現(xiàn)結(jié)點熱平衡的目的。但最終環(huán)境溫度的升高會導致結(jié)溫超過LED的安全工作范圍。此時，LED內(nèi)的各種元件性能降低、惡化，最終導致熱逸散和災難性的LED故障。
每個LED制造商都提供了對應環(huán)境溫度變化的最大前向電流的特性曲線。如圖2所示的Cree XRE系列曲線，該曲線標明了推薦的LED過溫安全工作范圍（SOA）。這個快速的參考設計資料提供了多重θJA圖形。因為在數(shù)據(jù)表規(guī)定了θJS，而在運行良好的系統(tǒng)中可以忽略θSH，因此θHA是一個可控變量。對于給定的θHA，維持LED驅(qū)動電流在限定范圍內(nèi)，可防止LED在非安全狀態(tài)下運行時會出現(xiàn)的熱逸散和/或大幅的壽命衰減。
從圖2中不難看出大型散熱器會擴大LED的適用范圍。不過，在一些LED應用中，高昂的散熱器成本及更大的散熱器體積令人望而卻步。對于此類應用，為了實現(xiàn)散熱，需要良好的解決方案。
比起針對每個規(guī)格設計一個大容差范圍的熱管理方案，設計師更愿意采用通用方案。這令LED驅(qū)動器的應用成為可能。由于驅(qū)動器會調(diào)節(jié)電流及功率，因此僅需對非安全運行狀態(tài)進行檢測，并令驅(qū)動器可以做出相應反應即可。
熱折返
考慮到制造商規(guī)定的前向電流額降，設計師現(xiàn)在能夠依靠LED驅(qū)動器來提供有幫助的控制機構(gòu)，從而對LED提供熱保護。由于多數(shù)新的LED驅(qū)動器具有調(diào)光輸入，因此幾乎總有一個簡單的方法來降低向LED的輸出電流。鑒于此，可以設計一個電路來檢測靠近LED的溫度。如果系統(tǒng)有良好的熱阻特點，那么LED的結(jié)點溫度就能通過測量來內(nèi)推。
因此，LED驅(qū)動器可以按照如圖3所示的需求來維持或降低調(diào)節(jié)電流。該圖可以改變，并且基本上與制造商的數(shù)據(jù)表規(guī)范相吻合，也可將其繪制的更保守一些。無論用什么方式，都要保護LED免受電流過剩與過熱的損害。特別是，可以依據(jù)所需減少對散熱器要求，因為最差條件導致的熱逸散能被去除。
熱折返可在許多方面應用。最常見和最簡單的方法是使用一個NTC（負溫度系數(shù)）熱敏電阻測量LED附近的溫度，如圖4所示。NTC熱敏電阻是一個隨溫度降低而增大，隨溫度增大而減小的電阻。如果電阻分壓器設定值偏離基準電壓，并且底部電阻器是一個熱敏電阻，那么分電壓將隨溫度增加而降低。假如將該電壓鉗制在低于基準電壓的最大電壓上，那么對于一些上升至最大溫度斷點（TBK）的溫度范圍來說，該電壓就被固定為鉗位電壓。然而，對于高于TBK的溫度而言，電壓將下降，如圖3所示。這個電壓可以用來控制LED驅(qū)動器的模擬調(diào)光輸入以實施基本熱折返。
LED調(diào)光時，折返圖形會有不同。由于標稱LED電流水平（ILED-NOM）被降低為調(diào)光電流水平（ILED-DIM），可對折返圖加以修正以與新的溫度斷點（TBK-DIM）相適應。這擴大了LED使用的溫度范圍，如圖3所示?？筛鶕?jù)不同器件，分步或連續(xù)完成。
另外一個變體是額外的最小LED電流（ILED-MIN）鉗制，用來防止LED電流為零，同見圖3。有許多應用中，終端用戶出于安全原因，不想要成套的熱折返。而使用這個特性，最小需求電流鉗制可以允許系統(tǒng)不受安全運行范圍約束。然而，就這一點而言，用戶情愿以縮短使用壽命為代價來換取短期功能。
路燈舉例
一個標準的路燈暴露于苛刻的環(huán)境條件中，且在整個使用壽命期間，由于各種原因，機械散熱器的性能可能會降低。這種性能的降低極大地增加了總熱阻θJA，而且最終將導致更高的LED結(jié)點溫度從而縮減使用壽命。為滿足市政設施關(guān)于使用壽命的要求，在路燈中熱折返幾乎總是必要的。
圖5所示為一個100W的路燈應用。前端交流-直流轉(zhuǎn)換器獲得一個120V交流電輸入，然后將其轉(zhuǎn)換為35V直流輸入。第二階段是一個LM3409恒流降壓型LED驅(qū)動器，負載為6串并聯(lián)，其中每串串聯(lián)8只LED;每串驅(qū)動電流為700mA。
LM3409用簡單的磁滯控制方法調(diào)節(jié)電流。在主開關(guān)（Q1）接通期間，電感器電流斜升至由IADJ引腳設置的峰值電流閾值。一旦達到該閾值，Q1關(guān)斷并且電感器電流斜降，直到程控關(guān)斷計時器停止。關(guān)斷計時器的程控是通過來自輸出電壓的RC實施的。這使得計時器與輸出電壓成正比，結(jié)果導致電感器電流紋波和隨后的原本恒定的LED電流紋波超越運行范圍。
在IADJ上降低電壓（從1.24V降至0V），平均LED電流的持續(xù)模擬調(diào)光能夠很容易實施。假如IADJ的電壓達到或高于1.24V，那么應調(diào)整LED的最大標稱電流。當IADJ引腳電壓降至1.24V時，電流開始調(diào)光，對執(zhí)行熱折返提供了一個極好的方法。
該應用中的熱折返電路比以前描述的更加基本化，僅利用一個IADJ附加的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的阻值將高于250kΩ（IADJ大于1.24V），直到溫度達到要求的斷點。然后作為NTC的一個功能，電阻降低，同時分別降低了IADJ的電壓和LED電流。
應該注意的是NTC從電阻到溫度的轉(zhuǎn)換功能是非線性的。這種非線性延長了出現(xiàn)真正零電流的邊界點溫度（TEND）。在路燈應用中，熱折返的線性不屬于最高等級。事實上路燈的壽命結(jié)束時間通常規(guī)定為其亮度降至初始亮度的70%時；因此，精確的熱折返圖對于路燈設計人員來講根本沒有意義。也就是說，如果需要的話，一個精密的溫度傳感器就能很容易地用于更為線性的熱折返圖繪制。
手電筒舉例
圖6所示為一個使用LM3424的較復雜的熱折返器件。這個應用是一個由LM3424組成的15W調(diào)光軍用手電筒，該LM3424控制6個串聯(lián)LED，驅(qū)動電流為700mA，電池電壓為9V。因為在調(diào)光時，串電壓發(fā)生變化，從24V到低于9V，所以多重拓撲結(jié)構(gòu)LM3424用作一個降壓-升壓控制器。需進行LED模擬調(diào)光以對其簡潔性、大小和成本進行評估。
LM3424用傳統(tǒng)的誤差信號放大器調(diào)節(jié)閉合環(huán)路中的輸出電流。在LED組件頂端對LED平均電流區(qū)別檢測。主開關(guān)（Q1）的占空比動態(tài)上得以改變，以確?？呻S時進行調(diào)整。
LM3424具有一個集成在芯片上的完全可編程熱折返電路。折返斷點由電阻分壓器按照TREF進行設置，內(nèi)部基準電壓3V（VS）。溫度傳感是使用傳感器或NTC分壓器在TSENSE的情況下實施的。當TSENSE電壓降低至預定TREF電壓時，電路開始根據(jù)圖7所示對LED進行調(diào)光。熱折返的斜率可由安裝在TGAIN到GND之間的電阻（RGAIN）設定。假如使用一個精密的溫度傳感器，例如LM94022，可以獲得一個高級的線性圖。
可以加裝基準電壓VS外置齊納管鉗制裝置以設定最小所需電流，如圖3所示。在將給定溫度值的特定LED的亮度輸出最大化的同時，這個高度可控熱折返也使手電筒使用壽命最大化。
手電筒應用中另一個有用的特征是調(diào)光與熱折返的組合。由于二者都使用熱折返電路，因此可以通過幾種方式進行組合。NTC分壓器直接連接至TSENSE，而調(diào)光分壓器則與二極管連接。如圖6所示。這種連接保證了TBK隨調(diào)光等級而移動，所以使得任意調(diào)光等級的有效溫度范圍達到最大。
散熱器對比
最后，在手電筒應用中將使用和不使用熱折返做一個比對。在手電筒應用中，這些LED靠得非常近形成一個LED。假定，θSH和θJS小于θHA，計算可簡單化為：
無熱折返，輸出功率要提高5%以隨時調(diào)整偏離值。同時，溫度差降低，占最差情況下環(huán)境溫度的25%，還要考慮有益的SOA裕量。因此，θHA的值將比使用熱折返的應用小70%。這就是說，散熱器尺寸大小與成本要增加30%。在LED應用中，散熱器為最大成本之一，在手電筒應用中使用熱折返是非常有價值的。
結(jié)論
LED技術(shù)的優(yōu)勢在于使用壽命長，可靠性高和性能優(yōu)于其他照明技術(shù)，而這些優(yōu)勢的實現(xiàn)需要熱控制技術(shù)的支持，所以要確保這項技術(shù)得以順利發(fā)展而不會受到意外情況的阻礙。
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