散熱管理是新型LED燈中最困難、要求最嚴(yán)格且成本最高的設(shè)計(jì)部分。如果不進(jìn)行充分的散熱管理，將會(huì)造成照明失效或火災(zāi)等災(zāi)難性后果。不過，LED燈的散熱管理是整個(gè)設(shè)計(jì)方案中最復(fù)雜、要求最嚴(yán)格且成本最高的部分。本文將探討如何實(shí)施負(fù)溫度系數(shù)(NTC)散熱管理，以充分提高LED設(shè)計(jì)的安全性并大幅降低功耗。
傳統(tǒng)的白熾燈泡中，不與任何東西直接接觸的燈絲是唯一熱源。而對(duì)于LED燈而言，LED即是光源，LED的散熱直接與LED燈泡相接觸。這種直接接觸是受LED與驅(qū)動(dòng)器電路的連接方式使然。為了實(shí)現(xiàn)散熱，必須將熱量從LED和驅(qū)動(dòng)器電路中釋放出去或者加以有效管理，同時(shí)這也是讓LED燈保持長期工作的基本前提。
為了解散熱管理的重要性，我們不妨設(shè)想這樣一種應(yīng)用，在壁燈或吊頂燈等通用照明插座上替代安裝LED燈，并用墻壁開關(guān)來控制LED燈。由于壁燈或吊頂燈等大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)燈的散熱主要依靠熱對(duì)流或氣流來實(shí)現(xiàn)的，因此這種應(yīng)用的散熱效果對(duì)于LED燈而言不太理想。
如果不進(jìn)行有效的散熱管理，則會(huì)帶來需要頻繁更換失效的LED燈或者導(dǎo)致建筑物火災(zāi)等災(zāi)難性后果。使用智能LED燈控制功能來監(jiān)控LED燈的溫度是較為簡單的散熱管理辦法，同時(shí)由于LED燈能在溫度升高情況下降低功率，因此安全性也將會(huì)得到大幅提升。
NTC散熱管理
NTC電路的基本原理是通過監(jiān)控LED燈的溫度來提升LED燈的安全性并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。當(dāng)溫度升高時(shí)，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內(nèi)。換言之，當(dāng)溫度升高時(shí)，減少流明，反之，當(dāng)溫度下降時(shí)，則增加流明。
我們可通過檢測NTC上的電壓來檢測LED燈的溫度變化。檢測到的電壓與NTC的溫度有直接關(guān)系，而NTC的電阻會(huì)隨NTC及其周邊電路溫度的升高而下降。使用NTC確定溫度有兩種基本方法。
方法一：在系統(tǒng)強(qiáng)制實(shí)施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測量NTC節(jié)點(diǎn)上的電壓。NTC溫度升高時(shí)，電阻減小。電阻減小將導(dǎo)致分壓器比的變化。NTC節(jié)點(diǎn)的電壓也會(huì)隨溫度升高而下降。
方法二、強(qiáng)制已知電流通過NTC，并測量NTC上的電壓。NTC溫度升高時(shí)，電阻減小。根據(jù)歐姆定律，電阻減小將改變NTC節(jié)點(diǎn)上的電壓。如電阻減小而電流保持不變，NTC節(jié)點(diǎn)上的電壓也會(huì)下降。
就改進(jìn)操作、提高安全性而言，這兩種監(jiān)控LED燈溫度的方法實(shí)施起來都很簡單直接。圖1是使用LED作為升溫源頭的這兩種方法的原理圖。
圖1：使用NTC確定溫度的兩種基本方法。
溫度過高還是LED故障?
LED燈的流明輸出下降時(shí)，了解是否因過高的溫度環(huán)境還是因?yàn)長ED出了故障而導(dǎo)致LED輸出下降至關(guān)重要。我們可用顯示流明下降的指示器來確定下降原因。
圖2所示系統(tǒng)中的流明下降是通過低功耗的紅色LED指示的。當(dāng)系統(tǒng)處于最大流明輸出時(shí)，紅色LED關(guān)閉;當(dāng)LED燈溫度升高時(shí)，流明輸出則會(huì)下降，而流明輸出下降時(shí)，紅色LED即會(huì)開啟。隨著流明輸出不斷下降，紅色LED的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)流明輸出下降到其最低強(qiáng)度時(shí)，紅色LED將會(huì)完全開啟。
圖2
當(dāng)流明輸出處于最低強(qiáng)度而LED燈的溫度仍然較高時(shí)，紅色LED指示燈還可作為預(yù)警嚴(yán)重問題的報(bào)警器。在報(bào)警模式下，紅色LED會(huì)在白色LED全部關(guān)閉的情況下不斷閃爍。
圖3的方框圖顯示了帶有NTC和警報(bào)指示器的普通LED驅(qū)動(dòng)器和LED控制器。普通LED燈包含的一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器經(jīng)配置后可通過LED提供一個(gè)設(shè)置電流。驅(qū)動(dòng)器無法根據(jù)溫度降低流明。驅(qū)動(dòng)器提供的溫度監(jiān)控功能只能用于自身保護(hù)，并在溫度極高的情況下完全關(guān)閉。
LED控制器具有普通LED驅(qū)動(dòng)器的全部控制功能，并能增強(qiáng)溫度監(jiān)控、通信和調(diào)光控制等其他功能的智能水平。方框圖中藍(lán)色部分是LED控制器的基本模塊和組件。以紅色顯示的組件不是基本操作所必需的，但顯示用于本文所述的NTC和報(bào)警功能。
普通LED添加NTC后，就能以可控順序在溫度達(dá)到預(yù)設(shè)限度時(shí)關(guān)閉LED燈。LED控制器右側(cè)的兩個(gè)紅色組件(電阻和NTC)根據(jù)NTC操作部分所介紹的方法一進(jìn)行配置。控制器向電阻元素提供精確的電壓。NTC節(jié)點(diǎn)處的電壓由控制器測量，以便轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的系統(tǒng)溫度。
報(bào)警機(jī)制可讓LED燈顯示溫度升高并達(dá)到必須關(guān)閉以確保安全的程度。LED控制器左側(cè)的兩個(gè)紅色組件(電阻和LED)是基本的指示燈LED配置。LED的亮度由PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制。LED在PWM占空比提高情況下會(huì)增加亮度。
上述智能LED燈以另外一個(gè)LED指示燈的方式顯示報(bào)警信息。LED報(bào)警只是智能LED能夠采用的眾多通信接口之一。此外還可采用PLC(電力線通信)、DMX(數(shù)字多路復(fù)用)和DALI(數(shù)字可尋址照明接口)等接口。
流明調(diào)節(jié)
圖4的流程圖顯示了監(jiān)控LED燈溫度并在溫度達(dá)到一定安全限度情況下調(diào)節(jié)流明大小的簡單算法。流程圖頂部的“加電啟動(dòng)——系統(tǒng)初始化”塊是微控制器初始化塊。墻壁開關(guān)打開后，LED燈加電，該塊將配置LED燈進(jìn)行基本操作，如流明輸出和溫度檢測等。
圖4:LED燈監(jiān)控及調(diào)節(jié)流程圖
“燈是否打開?”塊檢測燈是否由于溫度過高而關(guān)閉。該簡單的按位測試將明確燈是否打開。如果設(shè)為燈開位，說明燈打開，如果未設(shè)為燈開位，說明燈未打開。首次加電時(shí)，燈是默認(rèn)打開的并設(shè)定燈開位。
“警報(bào)”控制塊控制著溫度過高且LED燈被控制器關(guān)閉后的開關(guān)序列。接下來的“燈是否打開?”塊將再次開始檢測序列。退出報(bào)警條件的唯一途徑就是斷開并利用墻壁開關(guān)再次供電。
接下來的“檢測溫度”塊將檢測NTC節(jié)點(diǎn)處的電壓。NTC通常會(huì)隨溫度發(fā)生非線性變化，因此檢測到的電壓可根據(jù)對(duì)照表進(jìn)行相關(guān)溫度比較。該溫度將用于后續(xù)兩個(gè)控制塊。
“安全溫度”塊用于測定LED燈的溫度是否在安全范圍內(nèi)。當(dāng)溫度達(dá)到配置的最大值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將燈關(guān)掉。若溫度低于允許最大值，系統(tǒng)將繼續(xù)進(jìn)行溫度穩(wěn)定性測試。
“關(guān)燈”塊的作用是當(dāng)LED燈溫處于不安全范圍時(shí)將燈關(guān)掉。接下來是“是否開燈?”塊，再次重新開始檢測序列。
“溫度變化”塊用于測定上次流明調(diào)節(jié)循環(huán)以來的溫度變化是否需要提升或降低光輸出。“溫度增加”塊用于測定溫度是升還是降。由于前一個(gè)控制塊已經(jīng)測出自上次流明調(diào)節(jié)循環(huán)以來的溫度變化已足夠大，因此這里只有兩個(gè)選擇。
“最大流明”塊用于測定LED燈是否設(shè)為最大流明輸出。若流明輸出達(dá)到最大值，則重新進(jìn)入“是否開燈?”塊，重新開始檢測序列。
當(dāng)上一個(gè)控制塊測出流明輸出未達(dá)到最大值，便會(huì)觸發(fā)“流明升高、調(diào)暗指示燈”塊。該控制塊會(huì)根據(jù)初始化塊期間的配置將輸出調(diào)高一級(jí)，還會(huì)將指示燈LED調(diào)低一級(jí)，以使流明增加與指示燈變暗相匹配，然后再重新啟動(dòng)檢測序列。
當(dāng)“溫度升高”塊測出溫度升高，便會(huì)觸發(fā)“最低流明”塊。若流明未達(dá)到預(yù)設(shè)的最低值，則流程導(dǎo)向“降低流明，調(diào)亮指示燈”塊。若流明輸出達(dá)到預(yù)設(shè)的最低值，則重新進(jìn)入“是否開燈?”塊，重新開始檢測序列。
“降低流明，調(diào)亮指示燈”塊會(huì)根據(jù)初始化塊期間的配置將輸出調(diào)低一級(jí)，還會(huì)將指示燈LED調(diào)高一級(jí)，以使流明減少與指示燈增加相匹配，然后再重新啟動(dòng)檢測序列。
上述流程圖顯示了輸入電源循環(huán)期間LED燈保持關(guān)閉的情況。流程稍作變動(dòng)，就能提供燈關(guān)閉后監(jiān)控溫度、在溫度降至安全限度內(nèi)重新打開LED燈的序列。
