电感式LED驱动器和高功率LED灯设计及其散热方案安排与分析

 
       

  LED路灯符合“节能减排”的大方向,成为各地政府的关注亮点。科技部开展“十城万盏”LED照明示范工程,广东省提出“千里万盏”计划等等。电子元件技术网了解到,在各地政府大力扶持LED路灯计划的同时,大功率LED驱动电源质量不过关成为阻碍大功率LED照明发展的短板。

  LED是具有二极管特性的发光管,它只能单方向通电。通常LED亮度输出与通过LED电流成正比,但白光LED在大电流下会出现饱和现象,发光效率大幅度降低,甚至失效,因此LED使用电流不能超过其规格额定值。另外,LED亮度输出与温度成反比,所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。

  白光LED可以采用串联或并联连接方式,这两种解决方案各有优缺点。并联方式的缺点是LED电流及亮度不能自动匹配。串联方式保持固有的匹配特性,但需要更高的供电电压。因白光LED的正向压降为3~4V(典型值),无论是并联方式还是串联方式,大多数便携式电子设备的电池电压都不足以驱动LED,所以需要一个独立电源供电。

  在串联配置中,LED的数量受驱动器的最高电压限制。若最高电压为40V,在串联配置中根据白光LED的正向电压,这一最高电压最多能够驱动13只白光LED,驱动电流的范围是连续状态的10~350mA。这种配置的优势是串联的白光LED可以用单线传输电流;缺点则是当PCB空间受限时(特别是高功率时),铜导线上的电流密度是个问题,而且如果在串联模式中一只白光LED发生故障,所有白光LED都将被关掉。但是,从设计角度看,如果有刀只白光LED,就要将电池电压提升到nVp,所以必须采用升压结构。可以利用电感元件精确地监控电流斜率,从而限制了非受控瞬间电流产生的EMI。典型的升压拓扑结构如图所示。

  要解决LED散热的问题,主要应从两个方面入手封装前与封装后,可以理解为LED芯片散热与LED灯具散热。LED芯片散热主要与衬底电路的选择和工艺有关,本文暂不阐述,而主要介绍LED灯具的散热。任何LED都会制成灯具,所以LED芯片所产生的热量最后总是通过灯具的外壳散到空气中去。如果散热不好,由于LED芯片的热容量很小,一点点热量的积累就会使芯片的结温迅速提高,如果长时期工作在高温的状态,它的寿命就会很快缩短。然而,这些热量要能够真正引导出芯片到达外部空气,就必须经过很多途径。具体来说,LED芯片所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过导热胶才到铝散热器。所以,LED灯具的散热实际上包括导热和散热两个部分。 然而,LED灯壳散热一句功率大小及使用场所,也会有不同的选择。现在主要由以下几种散热方法:

  1.铝散热鱼鳍片:这是最常见的散热方式,即用铝散热鳍片作为外壳的一部分来增加散热面积。

  2.导热塑料壳:在塑料外壳注塑时填充导热材料,增加塑料外壳导热,散热能力。

  3.空气流体力学:利用灯壳外形,制造出对流空气,这是最低成本的加强散热方式。

  4.风扇:灯壳内部用长寿高效风扇加强散热,造价低,效果好。不过,更换风扇比较麻烦,而且这种方式不适用于户外,因此这种设计较为少见。

  5.导热管:利用导热管技术,将热量又LED芯片导到外壳散热鳍片。这种设计常用于在大型灯具(如路灯等)

  6.表面辐射散热处理:在灯壳表面做辐射散热处理,最简单的就是涂抹志盛威华辐射散热涂料,可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。

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