基于LED驱动器的主动式热能管理设计

LED光源为照明产业的大势所趋，惟整体发光效率仍未达市场要求，其中，散热缺陷为首要解决的棘手课题，目前产业界已发展出利用LED驱动器的主动式热能管理，其藉由内建热能回折功能，以改善LED在使用年限与散热的发展窒碍。

在2007年，美国能源部能源情报署（EIA）发表一篇报告，在该篇报告中特别提到美国（在商业区与住宅）的照明设备总共约消耗5，260亿千瓦小时的电能。若参考2008年EIA的报告，可发现美国一座核能发电厂能产生124亿千瓦小时的电能。因此，透过简单的计算可知，美国光在照明设备的使用即须耗掉四十二座核能发电厂的电能。随着人口数量的逐渐成长，照明工业必须寻找新型态的照明光源，以提高照明效率与降低能量消耗。

在照明工业上，发光二极管（LED）一直以来都被寄予厚望能取代传统白炽灯、荧光灯及各种气体放电光源的照明设备，主因系LED能降低功耗，并让土壤不受到有害化学物质危害。然即使LED的发光效率早已超越如氙气灯（HID）的高效率光源，但在内部电路组成与整体亮度表现仍不尽理想。

LED的发光效率受限于光产生方式，与其采用的材料制造方式无关。LED内部发光的方式通常以非辐射方式产生，因此大多数的光会被重新吸收并产生热源。以磷光体为主的白光LED，会因为史托克位移效应（Stokes Shift）所产生的热源而造成LED发光效率降低。不过有几种创新的解决方案能改善辐射复合率与光子吸收的问题，以增加LED的亮度与发光效率。

透过植入光子晶体提高亮度

Luminus Devices率先提出一种解决方案，藉由植入光子晶体，以便为局限（Trapped）在基板中的光子提供波导管。光子晶体是自然生成的物质，在蛋白石这类型的材料中便可看到光子晶体的存在，其紧密的结构特性，可提供光线放射的路径，能产生更高密度的光场强度，藉此特性与其他如量子井、光共振腔等特点，能使LED亮度超乎想象增加。对于需要高亮度的应用，如投影机、液晶显示器（LCD）背光板光源及其他特殊的应用而言，这些特殊的组件皆已相当普及，未来希望能应用在一般照明设备。

每种照明设备均存在光源使用寿命问题，经常遭遇的状况有类似白炽灯泡的钨丝突然烧断，或因长时间使用而使得光源材料因逐渐老化以致变暗而故障，LED亦因组件的接面温度而出现老化现象。所有的照明设备在提供稳定亮度条件下，于一定使用年限后，亮度势必会逐渐低于有效亮度之下。在不同的照明应用装置中，皆有使用寿命时间限制。举例来说，当使用在路灯装置的亮度已衰减至原先50%时，即代表使用年限，但使用在医生内视镜的光源装置可能亮度尚未衰减那么多。

藉热能管理/LED驱动IC管理亮度损耗

LED使用寿命的终点代表其照明亮度已低于可用的水平以下，而LED使用寿命的长短与温度的关联性非常高（图1）。若以图1中的曲线为设计参考，要设计出一款通用型的照明设备，且使用寿命至少50，000小时后还能有最初50%的亮度，则接面温度必须控制在100℃之下。在不使用主动冷却的前提下，将是极为艰巨的任务。另外，由于LED无法使用辐射散热的问题，此将使得散热弊病更雪上加霜。传统白炽灯泡可经由辐射方式分散出大量的红外线热能，而LED则须考虑如何解决散热问题。此外，在使用过程中，若接面温度瞬间超过制造商所限制的温度范围，就会对发光组件的寿命造成剧烈的永久伤害。

图1 LED照明的温度效应

若LED须进行降级才能处理严峻的接面温度，则当在设计照明系统或核心组件时，就必须认真思考两件重要事项，分别为热能管理与对LED驱动器的了解。不仅仅在通用性的照明应用中须考虑到此两个因素，在其他应用中也须要被考虑。最简易的解决方案就是采用被动热能管理方式，经由散热片搭配足够的气流能带走废热气。Nuventix研发一种主动式冷却装置，此装置并没有采用任何的风扇组件，而是利用高速的空气喷射器产生气流，其作业原理就像是一名单车骑士单手抓着大卡车的后面，藉由卡车快速前进而快速驰骋，Nuventix所设计的冷却器就是利用类似的原理，提供高效率的冷却方式。此技术已被应用在MR16、PAR20、PAR25等标准照明设备中。

解决方案中，另一个重要的课题就是利用LED驱动器的主动式热能管理方式。传统上，LED驱动器有固定的电流源，主要用来监视并控制流入一组或多组LED的电流量。通常来说，此足以驱动LED，并能在改变输入电压过程中保持相同的亮度大小。然随着亮度与架构的改良，LED已能提供更高的亮度光源，且逐渐进化成具备热能控制需求的完整光源引擎核心组件。

为防止组件遭受破坏或让使用寿命缩短，必须进行热能管理，且已有多种方法可以解决此问题。图2为两种不同的回折曲线，可在温度上升时限制LED的电流流量。当接面温度保持在默认温度范围内时，就经由主要的控制回路作为电流调节；但当接面温度超过默认范围时，就会使用另一组控制回路限制电流大小。其中接面温度的回折点与驱动电流的衰减率，均可依照不同的应用和LED制造商的建议改变。

图2 热能回折曲线的实例

美国国家半导体（NS）所推出的LED驱动器LM3424，已内建热能回折功能，设计者能（藉由调整曲线斜率）选择所需的设定点与系统增益值。此使得LED在一般照明与其他的特殊应用装置（如紧急告示板）中，更能掌握LED因使用年限或受到高温破坏的现象。

热能管理提升可靠度　大幅延长LED使用寿命

虽然LED技术不断演进，却也衍生出许多新的问题。随着LED发光强度与效率持续改善，更多的照明　应用设备将会逐渐从传统的发光源转移至新型态的LED发光源，并产生更多的新应用。当引入新的冷却解决方案与驱动技术后，热能管理将变得更加容易，并能延长LED使用寿命，使得LED具有不须替换的潜力，此在目前使用的白炽灯泡中为难以实现的目标。
责任编辑；zl