散熱管理是新型LED燈中最困難、要求最嚴格且成本最高的設計部分。如果不進行充分的散熱管理，將會造成照明失效或火災等災難性后果。不過，LED燈的散熱管理是整個設計方案中最復雜、要求最嚴格且成本最高的部分。本文將探討如何實施負溫度系數(NTC)散熱管理，以充分提高LED設計的安全性并大幅降低功耗。
傳統的白熾燈泡中，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與驅動器電路的連接方式使然。為了實現散熱，必須將熱量從LED和驅動器電路中釋放出去或者加以有效管理，同時這也是讓LED燈保持長期工作的基本前提。
為了解散熱管理的重要性，我們不妨設想這樣一種應用，在壁燈或吊頂燈等通用照明插座上替代安裝LED燈，并用墻壁開關來控制LED燈。由于壁燈或吊頂燈等大多數標準燈的散熱主要依靠熱對流或氣流來實現的，因此這種應用的散熱效果對于LED燈而言不太理想。
如果不進行有效的散熱管理，則會帶來需要頻繁更換失效的LED燈或者導致建筑物火災等災難性后果。使用智能LED燈控制功能來監控LED燈的溫度是較為簡單的散熱管理辦法，同時由于LED燈能在溫度升高情況下降低功率，因此安全性也將會得到大幅提升。
NTC散熱管理
NTC電路的基本原理是通過監控LED燈的溫度來提升LED燈的安全性并降低設計復雜度。當溫度升高時，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內。換言之，當溫度升高時，減少流明，反之，當溫度下降時，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的溫度有直接關系，而NTC的電阻會隨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：在系統強制實施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測量NTC節點上的電壓。NTC溫度升高時，電阻減小。電阻減小將導致分壓器比的變化。NTC節點的電壓也會隨溫度升高而下降。
方法二、強制已知電流通過NTC，并測量NTC上的電壓。NTC溫度升高時，電阻減小。根據歐姆定律，電阻減小將改變NTC節點上的電壓。如電阻減小而電流保持不變，NTC節點上的電壓也會下降。
就改進操作、提高安全性而言，這兩種監控LED燈溫度的方法實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。
散熱管理是新型LED燈中最困難、要求最嚴格且成本最高的設計部分。如果不進行充分的散熱管理，將會造成照明失效或火災等災難性后果。不過，LED燈的散熱管理是整個設計方案中最復雜、要求最嚴格且成本最高的部分。本文將探討如何實施負溫度系數(NTC)散熱管理，以充分提高LED設計的安全性并大幅降低功耗。
傳統的白熾燈泡中，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與驅動器電路的連接方式使然。為了實現散熱，必須將熱量從LED和驅動器電路中釋放出去或者加以有效管理，同時這也是讓LED燈保持長期工作的基本前提。
為了解散熱管理的重要性，我們不妨設想這樣一種應用，在壁燈或吊頂燈等通用照明插座上替代安裝LED燈，并用墻壁開關來控制LED燈。由于壁燈或吊頂燈等大多數標準燈的散熱主要依靠熱對流或氣流來實現的，因此這種應用的散熱效果對于LED燈而言不太理想。
如果不進行有效的散熱管理，則會帶來需要頻繁更換失效的LED燈或者導致建筑物火災等災難性后果。使用智能LED燈控制功能來監控LED燈的溫度是較為簡單的散熱管理辦法，同時由于LED燈能在溫度升高情況下降低功率，因此安全性也將會得到大幅提升。
NTC散熱管理
NTC電路的基本原理是通過監控LED燈的溫度來提升LED燈的安全性并降低設計復雜度。當溫度升高時，控制器減少流明并借以將LED保持在安全水平之內。換言之，當溫度升高時，減少流明，反之，當溫度下降時，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的溫度有直接關系，而NTC的電阻會隨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：在系統強制實施已知電壓的分壓器電路中使用NTC，并隨后測量NTC節點上的電壓。NTC溫度升高時，電阻減小。電阻減小將導致分壓器比的變化。NTC節點的電壓也會隨溫度升高而下降。
方法二、強制已知電流通過NTC，并測量NTC上的電壓。NTC溫度升高時，電阻減小。根據歐姆定律，電阻減小將改變NTC節點上的電壓。如電阻減小而電流保持不變，NTC節點上的電壓也會下降。
就改進操作、提高安全性而言，這兩種監控LED燈溫度的方法實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(點擊圖片查看原圖)
溫度過高還是LED故障？
LED燈的流明輸出下降時，了解是否因過高的溫度環境還是因為LED出了故障而導致LED輸出下降至關重要。我們可用顯示流明下降的指示器來確定下降原因。
圖2所示系統中的流明下降是通過低功耗的紅色LED指示的。當系統處于最大流明輸出時，紅色LED關閉；當LED燈溫度升高時，流明輸出則會下降，而流明輸出下降時，紅色LED即會開啟。隨著流明輸出不斷下降，紅色LED的強度會相應增加。當流明輸出下降到其最低強度時，紅色LED將會完全開啟。
圖2
當流明輸出處于最低強度而LED燈的溫度仍然較高時，紅色LED指示燈還可作為預警嚴重問題的報警器。在報警模式下，紅色LED會在白色LED全部關閉的情況下不斷閃爍。
圖3的方框圖顯示了帶有NTC和警報指示器的普通LED驅動" title="LED驅動">LED驅動器和LED控制器。普通LED燈包含的一個LED驅動器經配置后可通過LED提供一個設置電流。驅動器無法根據溫度降低流明。驅動器提供的溫度監控功能只能用于自身保護，并在溫度極高的情況下完全關閉。
圖3：帶有NTC和警報指示器的普通LED驅動器和LED控制器(點擊圖片查看原圖)
LED控制器具有普通LED驅動器的全部控制功能，并能增強溫度監控、通信和調光控制等其他功能的智能水平。方框圖中藍色部分是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和報警功能。
普通LED添加NTC后，就能以可控順序在溫度達到預設限度時關閉LED燈。LED控制器右側的兩個紅色組件(電阻和NTC)根據NTC操作部分所介紹的方法一進行配置。控制器向電阻元素提供精確的電壓。NTC節點處的電壓由控制器測量，以便轉換為相應的系統溫度。
報警機制可讓LED燈顯示溫度升高并達到必須關閉以確保安全的程度。LED控制器左側的兩個紅色組件(電阻和LED)是基本的指示燈LED配置。LED的亮度由PWM（脈沖寬度調制）信號控制。LED在PWM占空比提高情況下會增加亮度。
上述智能LED燈以另外一個LED指示燈的方式顯示報警信息。LED報警只是智能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(數字多路復用)和DALI(數字可尋址照明接口)等接口。
流明調節
圖4的流程圖顯示了監控LED燈溫度并在溫度達到一定安全限度情況下調節流明大小的簡單算法。流程圖頂部的“加電啟動——系統初始化”塊是微控制器初始化塊。墻壁開關打開后，LED燈加電，該塊將配置LED燈進行基本操作，如流明輸出和溫度檢測等。
圖4 LED燈監控及調節流程圖
“燈是否打開？”塊檢測燈是否由于溫度過高而關閉。該簡單的按位測試將明確燈是否打開。如果設為燈開位，說明燈打開，如果未設為燈開位，說明燈未打開。首次加電時，燈是默認打開的并設定燈開位。
“警報”控制塊控制著溫度過高且LED燈被控制器關閉后的開關序列。接下來的“燈是否打開？”塊將再次開始檢測序列。退出報警條件的唯一途徑就是斷開并利用墻壁開關再次供電。
接下來的“檢測溫度”塊將檢測NTC節點處的電壓。NTC通常會隨溫度發生非線性變化，因此檢測到的電壓可根據對照表進行相關溫度比較。該溫度將用于后續兩個控制塊。
“安全溫度”塊用于測定LED燈的溫度是否在安全范圍內。當溫度達到配置的最大值時，系統會將燈關掉。若溫度低于允許最大值，系統將繼續進行溫度穩定性測試。
“關燈”塊的作用是當LED燈溫處于不安全范圍時將燈關掉。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節循環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。由于前一個控制塊已經測出自上次流明調節循環以來的溫度變化已足夠大，因此這里只有兩個選擇。
“最大流明”塊用于測定LED燈是否設為最大流明輸出。若流明輸出達到最大值，則重新進入“是否開燈？”塊，重新開始檢測序列。
當上一個控制塊測出流明輸出未達到最大值，便會觸發“流明升高、調暗指示燈”塊。該控制塊會根據初始化塊期間的配置將輸出調高一級，還會將指示燈LED調低一級，以使流明增加與指示燈變暗相匹配，然后再重新啟動檢測序列。
當“溫度升高”塊測出溫度升高，便會觸發“最低流明”塊。若流明未達到預設的最低值，則流程導向“降低流明，調亮指示燈”塊。若流明輸出達到預設的最低值，則重新進入“是否開燈？”塊，重新開始檢測序列。
“降低流明，調亮指示燈”塊會根據初始化塊期間的配置將輸出調低一級，還會將指示燈LED調高一級，以使流明減少與指示燈增加相匹配，然后再重新啟動檢測序列。
上述流程圖顯示了輸入電源循環期間LED燈保持關閉的情況。流程稍作變動，就能提供燈關閉后監控溫度、在溫度降至安全限度內重新打開LED燈的序列。
作者：Charles Pencil
賽普拉斯高級應用工程師
關于作者
Charles Pencil現為賽普拉斯半導體公司PowerPSoC與離線LED驅動器的主任級應用工程師。他主要負責1W~100W范圍內LED照明" title="LED照明">LED照明系統的高亮度LED操作、控制及應用。