燈具散熱問題及可調整式熱保護技術深入解讀

　　伴隨 LED 照明市場高速發展，LED 照明應用相關產品愈趨于輕薄短小，而且功率需求卻更為強大，其中，關于散熱效能要求日益嚴苛。另外，LED 電源模塊的失效率亦隨著燈具材料散熱效能有限而提高，因此，在 LED 照明控制 IC 相關熱保護感測技術，近來成為各 LED 燈具設計應用之熱點。

　　LED 燈具散熱問題

　　一般傳統的 LED 燈具以采用鋁散熱材料作為燈殼，雖有良好的散熱效果，但加工復雜、成本高、材質重等缺點。LED 照明燈具散熱原理上，需藉由物質內部傳導熱能的載體導熱機理。

　　其中，金屬導熱佳主要是因為金屬具有自由電子因而能快速傳遞熱能；而塑料因無自由電子，分子振動困難，其熱傳導主要是材料本身晶格震動的結果，而聲子為主要熱能載荷者。

　　相對的，塑料燈殼在設計、性能和成本方面的其他優點，如重量輕（比鋁材輕20~40%）、兼具易成形、低成本，而且最為重要的特色是因塑料不導電，具備良好的電氣絕緣能力，故非隔離型 LED 照明驅動器采用塑料外殼已是大勢所趨。

　　不過，一般塑料其導熱效能相當差，樹脂種類材料也直接影響導熱好壞，一般塑料導熱系數 k 值一般只有 0.2W/（m*K），約為金屬鋁之 1/1000。無法有效散熱及影響 LED 燈具可靠度。

　　LED 燈具可靠度

　　可靠度的概念，最早始于二次大戰，德國在研制 V-1 火箭時，對于每個組件的失效率直接影響整個系統的表現研究。在LED燈具的電源模塊中觀念相同，其中環境溫度的變因更會導致降低LED燈具的可靠度，LED 與驅動電路中所使用的電解電容器于可靠度評估中影響最大。

　　其中圖1 為高亮度白光 LED 的 Tj 溫度與使用命關系圖，從圖中可知 Tj 溫度愈低則使用壽命愈長，另外，圖2 電解電容器器溫度與使用壽命關系圖，電源模塊中電解電容器使用壽命，也同樣與環境溫度成反比。

　　電解電容器毀壞甚至會導致燈具無法使用，故若燈具能隨著感測環境溫度有效的調整自體溫度也就能延長 LED 燈具的使用壽命。因此，如何調整溫度為 LED 照明應用中重要之課題。

　　溫度感測

　　感測溫度的實際應用中，熱敏電阻器是最為常見且容易取得的溫度傳感器，其中 LED 燈具電源模塊中加入熱敏電阻器作為感測溫度應用具備有效且低成本的解決方案。

　　熱敏電阻器是由金屬氧化物混合后高溫燒結而成。所形成的組件擁有隨溫度而改變電阻值的特性。

　　其中常見的一大類屬于負溫度系數熱敏電阻（negative temp coefficient thermistor），簡稱 NTC Thermistor。其電阻值會隨著溫度上升而下降。

　　使用熱敏電阻器用來作溫度感測的三大優點：

　　1.其具備極高的靈敏度。若采用高阻值的熱敏電阻器，靈敏度可高達 10kΩ/ °C。

　　2.其相對的高阻值。其在 25° C 時的阻值，可以橫跨數百至數 MΩ 的選擇性。其所擁有的高阻值，降低了由導線阻抗所帶來的誤差。

　　3.熱敏電阻器提供多樣性的組件包裝，其中貼片式的極小外形包裝，甚至尺寸可縮小到 0201 包裝，如圖3 所示。在電路設計中可輕易 Layout 于需感測熱源的組件周遭。

　　不過在實務應用上，使用熱敏電阻器用來作溫度感測，還是有其限制：

　　1.熱敏電阻器為被動電阻器，使用上需由電流流過驅動，故有電流流過即有功率損耗所散發的熱能，使用上熱敏電阻器需串聯大阻值的電阻器限流，以避免熱敏電阻器過度自熱，反應自體功耗溫度，而非感測待測物的溫度。

　　2.熱敏電阻器雖擁有較高的阻值與靈敏度，但其溫度特性是非線性的，其中圖4為興勤電子 TSMSeries 的熱敏電阻阻值對溫度的關系圖。

　　如圖所示，在需感測的溫度范圍內電阻阻值對溫度變化劇烈，需并聯多顆熱敏電阻器或是電阻器以修飾溫度斜率變化曲線，研發過程中，拉長開發時效，增加成本。

　　可調整過熱保護功能

　　提供熱保護的 LED 驅動 IC，搭配熱敏電阻器應用需具備可解決熱敏電阻器自熱問題等限制，另外，熱保護功能的可調整性最為重要，其中包含可任意調整開啟及關閉熱保護功能的輸出電流調節起始點 （TFB）及輸出電流截止點 （TCut-off） 以供電路設計，圖 5 為可調整過熱保護設計示意圖。電路開發階段可以任意調整過熱保護功能。

　　另外，因環境溫度上升，LED 電流下降斜率調整以達到調節燈具溫度之效能。其 LED 的亮度會隨輸出電流下降而減少，下降的斜率需符合 gamma 曲線中的人眼對低亮度變化的感覺比高亮度變化的感覺敏銳特性，如圖 6 所示。

　　熱保護功能需調整，使高亮度時采用斜率緩慢下降，讓使用者在不知不覺中，達成LED 燈溫度調節，以延長使用壽命。

　　可調整熱保護功能 vs. 傳統熱保護功能曲線有可調整熱保護功能的 LED 驅動 IC 與傳統熱保護功能，輸出電流與溫度關系圖如圖 7 所示。量測結果發現明顯的可察覺，可調整熱保護功能的 LED 驅動 IC 更可以符合用戶需求。

　　結論

　　可調整式熱保護功能 LED 驅動 IC 可有效的延長燈具使用壽命及提升可靠度，在功率越做越大的 LED 照明市場，為使用者增加一個絕佳的選擇。
本文作者：聚積科技應用工程部 王曜邦