LED驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)式熱能管理介紹

LED光源為照明產(chǎn)業(yè)的大勢(shì)所趨，惟整體發(fā)光效率仍未達(dá)市場(chǎng)要求，其中，散熱缺陷為首要解決的棘手課題，目前產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出利用LED驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)式熱能管理，其藉由內(nèi)建熱能回折功能，以改善LED在使用年限與散熱的發(fā)展窒礙。

在2007年，美國(guó)能源部能源情報(bào)署(EIA)發(fā)表一篇報(bào)告，在該篇報(bào)告中特別提到美國(guó)(在商業(yè)區(qū)與住宅)的照明設(shè)備總共約消耗5,260億千瓦小時(shí)的電能。若參考2008年EIA的報(bào)告，可發(fā)現(xiàn)美國(guó)一座核能發(fā)電廠能產(chǎn)生124億千瓦小時(shí)的電能。因此，透過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可知，美國(guó)光在照明設(shè)備的使用即須耗掉四十二座核能發(fā)電廠的電能。隨著人口數(shù)量的逐漸成長(zhǎng)，照明工業(yè)必須尋找新型態(tài)的照明光源，以提高照明效率與降低能量消耗。

在照明工業(yè)上，發(fā)光二極管(LED)一直以來(lái)都被寄予厚望能取代傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈及各種氣體放電光源的照明設(shè)備，主因系LED能降低功耗，并讓土壤不受到有害化學(xué)物質(zhì)危害。然即使LED的發(fā)光效率早已超越如氙氣燈(HID)的高效率光源，但在內(nèi)部電路組成與整體亮度表現(xiàn)仍不盡理想。

LED的發(fā)光效率受限于光產(chǎn)生方式，與其采用的材料制造方式無(wú)關(guān)。LED內(nèi)部發(fā)光的方式通常以非輻射方式產(chǎn)生，因此大多數(shù)的光會(huì)被重新吸收并產(chǎn)生熱源。以磷光體為主的白光LED，會(huì)因?yàn)槭吠锌宋灰菩?yīng)(Stokes Shift)所產(chǎn)生的熱源而造成LED發(fā)光效率降低。不過(guò)有幾種創(chuàng)新的解決方案能改善輻射復(fù)合率與光子吸收的問(wèn)題，以增加LED的亮度與發(fā)光效率。

透過(guò)植入光子晶體提高亮度

Luminus Devices率先提出一種解決方案，藉由植入光子晶體，以便為局限(Trapped)在基板中的光子提供波導(dǎo)管。光子晶體是自然生成的物質(zhì)，在蛋白石這類(lèi)型的材料中便可看到光子晶體的存在，其緊密的結(jié)構(gòu)特性，可提供光線放射的路徑，能產(chǎn)生更高密度的光場(chǎng)強(qiáng)度，藉此特性與其他如量子井、光共振腔等特點(diǎn)，能使LED亮度超乎想象增加。對(duì)于需要高亮度的應(yīng)用，如投影機(jī)、液晶顯示器(LCD)背光板光源及其他特殊的應(yīng)用而言，這些特殊的組件皆已相當(dāng)普及，未來(lái)希望能應(yīng)用在一般照明設(shè)備。

每種照明設(shè)備均存在光源使用壽命問(wèn)題，經(jīng)常遭遇的狀況有類(lèi)似白熾燈泡的鎢絲突然燒斷，或因長(zhǎng)時(shí)間使用而使得光源材料因逐漸老化以致變暗而故障，LED亦因組件的接面溫度而出現(xiàn)老化現(xiàn)象。所有的照明設(shè)備在提供穩(wěn)定亮度條件下，于一定使用年限后，亮度勢(shì)必會(huì)逐漸低于有效亮度之下。在不同的照明應(yīng)用裝置中，皆有使用壽命時(shí)間限制。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用在路燈裝置的亮度已衰減至原先50%時(shí)，即代表使用年限，但使用在醫(yī)生內(nèi)視鏡的光源裝置可能亮度尚未衰減那么多。

藉熱能管理/LED驅(qū)動(dòng)IC管理亮度損耗

LED使用壽命的終點(diǎn)代表其照明亮度已低于可用的水平以下，而LED使用壽命的長(zhǎng)短與溫度的關(guān)聯(lián)性非常高(圖1)。若以圖1中的曲線為設(shè)計(jì)參考，要設(shè)計(jì)出一款通用型的照明設(shè)備，且使用壽命至少50,000小時(shí)后還能有最初50%的亮度，則接面溫度必須控制在100℃之下。在不使用主動(dòng)冷卻的前提下，將是極為艱巨的任務(wù)。另外，由于LED無(wú)法使用輻射散熱的問(wèn)題，此將使得散熱弊病更雪上加霜。傳統(tǒng)白熾燈泡可經(jīng)由輻射方式分散出大量的紅外線熱能，而LED則須考慮如何解決散熱問(wèn)題。此外，在使用過(guò)程中，若接面溫度瞬間超過(guò)制造商所限制的溫度范圍，就會(huì)對(duì)發(fā)光組件的壽命造成劇烈的永久傷害。

圖1 LED照明的溫度效應(yīng)[!--empirenews.page--]

若LED須進(jìn)行降級(jí)才能處理嚴(yán)峻的接面溫度，則當(dāng)在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)或核心組件時(shí)，就必須認(rèn)真思考兩件重要事項(xiàng)，分別為熱能管理與對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的了解。不僅僅在通用性的照明應(yīng)用中須考慮到此兩個(gè)因素，在其他應(yīng)用中也須要被考慮。最簡(jiǎn)易的解決方案就是采用被動(dòng)熱能管理方式，經(jīng)由散熱片搭配足夠的氣流能帶走廢熱氣。Nuventix研發(fā)一種主動(dòng)式冷卻裝置，此裝置并沒(méi)有采用任何的風(fēng)扇組件，而是利用高速的空氣噴射器產(chǎn)生氣流，其作業(yè)原理就像是一名單車(chē)騎士單手抓著大卡車(chē)的后面，藉由卡車(chē)快速前進(jìn)而快速馳騁，Nuventix所設(shè)計(jì)的冷卻器就是利用類(lèi)似的原理，提供高效率的冷卻方式。此技術(shù)已被應(yīng)用在MR16、PAR20、PAR25等標(biāo)準(zhǔn)照明設(shè)備中。

解決方案中，另一個(gè)重要的課題就是利用LED驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)式熱能管理方式。傳統(tǒng)上，LED驅(qū)動(dòng)器有固定的電流源，主要用來(lái)監(jiān)視并控制流入一組或多組LED的電流量。通常來(lái)說(shuō)，此足以驅(qū)動(dòng)LED，并能在改變輸入電壓過(guò)程中保持相同的亮度大小。然隨著亮度與架構(gòu)的改良，LED已能提供更高的亮度光源，且逐漸進(jìn)化成具備熱能控制需求的完整光源引擎核心組件。

為防止組件遭受破壞或讓使用壽命縮短，必須進(jìn)行熱能管理，且已有多種方法可以解決此問(wèn)題。圖2為兩種不同的回折曲線，可在溫度上升時(shí)限制LED的電流流量。當(dāng)接面溫度保持在默認(rèn)溫度范圍內(nèi)時(shí)，就經(jīng)由主要的控制回路作為電流調(diào)節(jié);但當(dāng)接面溫度超過(guò)默認(rèn)范圍時(shí)，就會(huì)使用另一組控制回路限制電流大小。其中接面溫度的回折點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)電流的衰減率，均可依照不同的應(yīng)用和LED制造商的建議改變。

圖2 熱能回折曲線的實(shí)例

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)所推出的LED驅(qū)動(dòng)器LM3424，已內(nèi)建熱能回折功能，設(shè)計(jì)者能(藉由調(diào)整曲線斜率)選擇所需的設(shè)定點(diǎn)與系統(tǒng)增益值。此使得LED在一般照明與其他的特殊應(yīng)用裝置(如緊急告示板)中，更能掌握LED因使用年限或受到高溫破壞的現(xiàn)象。

熱能管理提升可靠度　大幅延長(zhǎng)LED使用壽命雖然LED技術(shù)不斷演進(jìn)，卻也衍生出許多新的問(wèn)題。隨著LED發(fā)光強(qiáng)度與效率持續(xù)改善，更多的照明　應(yīng)用設(shè)備將會(huì)逐漸從傳統(tǒng)的發(fā)光源轉(zhuǎn)移至新型態(tài)的LED發(fā)光源，并產(chǎn)生更多的新應(yīng)用。當(dāng)引入新的冷卻解決方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，熱能管理將變得更加容易，并能延長(zhǎng)LED使用壽命，使得LED具有不須替換的潛力，此在目前使用的白熾燈泡中為難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。