大功率LED照明解決方案的開發(fā)廠家目前遇到的最大設計挑戰(zhàn)是散熱設計和過熱保護,他們必須攻克LED光源對熱敏感性強的難題,因為熱量過多或應用不當都會使LED光源的性能大打折扣。
理論和實踐都已經(jīng)證明,LED的性能和壽命與LED的PN結工作溫度緊密相關。當LED芯片內結溫升高10℃時,光通量就會衰減1%,LED的壽命就減少50%,過流、過壓和過熱都會顯著地減少LED的發(fā)光性能和使用壽命。因此除了良好的散熱設計,安全可靠的過熱保護也是必須考慮的。
通常對LED而言,約20%輸入功率轉換為光,80%則轉換為熱。這取決于多種因素,發(fā)熱可能與底層不規(guī)則以及聲子發(fā)射、密封、材料等有關。在LED產(chǎn)生的總熱量中,有90%通過傳導傳輸。為耗散來自LED結的熱量,傳導是導熱的主要通道,因為對流和輻射僅占全部熱傳輸?shù)募s10%。
顯然,LED光源需要精確的功率和熱管理系統(tǒng),因為與其他光源相比,提供給LED的電能大部分轉換為熱量。如果沒有適當?shù)臒峁芾?,這種熱量會影響LED壽命和色彩輸出。同時,由于LED驅動裝置屬于硅器件,它們很快就會失效。這說明必須要配備故障安全備用過流保護裝置。
那么,為什么說成功的大功率LED照明設計離不開PPTC 呢?很多人覺得LED驅動器本身就能提供過流和過熱保護功能,沒必要再在外部添加一個PPTC器件,因為這會增加額外的成本。但這是錯誤的觀點,許多LED驅動器很容易因直流電壓和極性錯誤而受損。LED驅動器的輸出也會因短路而受損或毀壞。盡管多數(shù)LED驅動器含有內置安全功能,包括熱關機以及LED開路和短路檢測。但是,要保護集成電路(IC)和其他敏感電子元件,可能需要額外的過流保護器件。因此,只有PPTC(特別是可復位PolySwitch PPTC)才是防止大功率LED過熱損壞的最合適解決方案。
為了說明這個問題,我們首先來看一下典型的LED驅動器能提供什么保護功能。大多數(shù)大功率LED恒流驅動器能提供的典型保護特性包括:熱關斷保護、過壓/過流比較器、大電流MOSFET、電流大小調節(jié)、某一級別的ESD保護。但是,其熱關斷特性只是一個自保功能,很難應用到LED過熱設計保護中。其過壓/過流保護特性需要外部過壓保護電路,關斷電源可能會引起其他問題。大電流MOSFET的故障模式通常是短路,這是潛在的不安全因素。實現(xiàn)LED調光用的電流調節(jié)特性可能引起LED過溫問題。
但PPTC保護大功率LED的理念是不同的,它有以下4個獨特優(yōu)點:1)PPTC的典型故障模式是高阻抗,因此即使在故障狀態(tài),LED也是安全的。2)PPTC可以直接測量LED的溫度,因此可以貼身保護。3)PPTC可以實現(xiàn)過溫、過流和過壓保護功能。使用非常簡單,不需要外部電路。LED即使在保護狀態(tài)下也可以正常工作。4)允許設計師以更低成本實現(xiàn)調光設計,而不用擔心安全問題。因此只需要在LED驅動器外面配一個PPTC器件就可以實現(xiàn)更強的安全性、滿足最嚴格的安全標準和實現(xiàn)降成本。