№9 / 2018 / статья 4

Защита от превышения температуры для светодиодных источников освещения

Бернд Пфлаум (Infineon Technologies), Хакан Йилмазер (Infineon Technologies)

Интегральные драйверы светоизлучающих диодов (СИД) производства Infineon с интеллектуальной защитой от превышения температуры способствуют увеличению срока эксплуатации и оптимизации расходов для светодиодных систем освещения.

Многие производители применяют усовершенствованные методы теплового проектирования, выбирая подходящие радиаторы и корпуса с высокой теплопроводностью. Они, как правило, не рассматривают интегральную микросхему (ИМС) светодиодного драйвера в качестве регулирующего элемента в тепловой системе.

Использование драйверов с интеллектуальной защитой от превышения температуры обеспечивает дополнительный механизм управления, который поможет существенно увеличить срок службы светодиодных источников света и сократить дефекты в выпускаемой продукции.

В зависимости от производителя и условий применения реальный срок эксплуатации светодиодных осветительных приборов варьируется в пределах 20000…50000 часов, тогда как у ламп накаливания этот показатель составляет менее 2000 часов. Интеллектуальная термозащита также помогает снизить стоимость системы за счет проектирования теплоотводов ,без избыточной эффективности рассеяния тепла.

Несмотря на очень высокую эффективность светодиодов по сравнению с другими источниками света, значительная часть энергии, используемой для управления СИД, превращается в тепло. В отличие от других источников света, например ламп накаливания, светодиоды почти не излучают в ИК-диапазоне, а тепло выделяется светодиодной матрицей, размещенной на монтажной плате, теплоотводами, корпусами или конструкционными элементами светильников.

Если эта система теплопередачи имеет конструктивные недостатки или производственные дефекты и подвержена перегреву, могут оказаться поврежденными СИД, микросхемы драйвера или такие чувствительные к нагреванию компоненты, как электролитические конденсаторы.

Запатентованная технология интеллектуального термического регулирования Infineon, включенная в последние версии ИМС драйверов СИД, способна помочь в защите от теплового разрушения, совершенствуя конструкции светодиодных систем освещения.

Срок службы зависит от температуры

Срок службы светодиодов напрямую связан с температурой полупроводникового перехода в процессе эксплуатации. Повышенная температура может значительно сократить этот срок. Рисунок 1 иллюстрирует световой поток, меняющийся с течением времени (экспериментальные данные за 10 000 часов с дальнейшей экстраполяцией) от двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей в 11 градусов температуры полупроводникового прибора (Tjunction). Ожидаемый срок эксплуатации  (определяется по 70% световому потоку) снизился с 37 000 часов до 16 000 часов, то есть на 57%.

Рис. 1. Зависимость срока службы светодиодов от температуры перехода

Рис. 1. Зависимость срока службы светодиодов от температуры перехода

Методы тепловой защиты

Тепловой расчет системы часто фокусируется на теплоотводе и печатной плате, при этом не учитываются возможности теплового контроля ИМС светодиодного драйвера и схемы управления. Интеллектуальная защита от перегрева с использованием  интегрального драйвера может значительно увеличить срок службы светодиодных источников света.

Для реализации подобной защиты от перегрева есть несколько способов. Некоторые драйверы СИД имеют вывод для подключения  внешнего датчика температуры. Для защиты светодиодов от перегрева могут быть использованы различные датчики температуры, включая диоды, микросхемы, терморезисторы с положительным (PTC) или отрицательным (NTC) температурным коэффициентом.

Во многих случаях для измерения температуры и управления предпочтительнее использовать терморезисторы NTC, в первую очередь из-за их малых размеров и соотношения между ценой и характеристиками. Но точность, время реакции и перепад температуры зависят также от способа установки терморезистора.

Реакция на превышение температуры должна следовать  после точного определения ее уровня. Типичным откликом при обнаружении критической температуры является резкое выключение тока светодиодов. Затем устройства могут перезапуститься после понижения  температуры или ожидать следующего цикла переключения питания для перезагрузки. У подобных методов есть ряд недостатков:

  • Метод мгновенного выключения требует установки досточно высокой температуры отключения с тем, чтобы предотвратить ложные срабатывания защиты. Такое значение пороговой температуры, как правило, защищает от повреждений, но может привести к значительному сокращению срока службы светодиодов.
  • Полное отключение тока светодиода приводит к резкому отключению света.
  • После снижения температуры большинство драйверов автоматически перезапускается. После перезагрузки система снова разогревается, и выключения могут повторяться, в результате чего возникает неприятный эффект мерцания.
  • Драйверы с блокировкой по срабатыванию защиты требуют сброса с переключением питания, что зачастую нелегко или даже невозможно реализовать.

В системах безопасности (например, освещение запасных выходов, путей эвакуации или выключателей аварийного отключения), простое выключения драйвера СИД  неприемлемо, так как освещение в данных условиях чрезвычайно необходимо. Внезапное отключение света может быть также недопустимо в экстремальных производственных условиях, например в горячих цехах.

Наконец, желательно уменьшить количество внешних компонентов, необходимых для работы и защиты драйвера и светодиодов. Необходимые для тепловой защиты компоненты должны быть недорогими и легко интегрируемыми в устройства освещения.

Смарт-защита от перегрева

Чтобы преодолеть ограничения обычных светодиодных осветительных систем, была запатентована идея использования микросхемы светодиодного драйвера в качестве датчика тепловой защиты с регулируемыми уровнем срабатывания и крутизной яркостной характеристики. Новая технология была реализована в недавно анонсированном Infineon Technologies драйвере СИД  с гистерезисным понижающим преобразователем DC/DC и датчиком тока на стороне высокого напряжения (рисунок 2).

Рис. 2. Блок-схема светодиодного драйвера ILD6070

Рис. 2. Блок-схема светодиодного драйвера ILD6070

В новом драйвере ILD6070 снижение тока начинается по превышению порогового уровня температуры пайки припоя ИМС, но это значение может регулироваться с помощью внешнего резистора, подключенного к выводу Tadj.

Преимущества новой схемы защиты от перегрева

Драйверная ИМС  в качестве теплового датчика

ИМС драйвера может быть использована в качестве эталона для определения температуры СИД в системах, где драйвер  имеет тепловой контакт со светодиодами. Это позволит отказаться от терморезистора, соединительных проводов и разъема. Упрощается вся конструкция  термозащиты.

Там, где невозможно обеспечить плотный тепловой контакт для устанавливаемой ИМС драйвера, чтобы надежно защитить систему, устройства серии ILD6 позволяют использовать терморезисторы NTC (рисунок 3). Размещенный вблизи от светодиодов терморезистор точно отображает их температуру.

Рис. 3. В зависимости от применения, новый драйвер может использовать как внутреннюю защиту от перегрева, так и внешний терморезистор NTC

Рис. 3. В зависимости от применения новый драйвер может использовать как внутреннюю защиту от перегрева, так и внешний терморезистор NTC

Продление срока службы за счет регулируемого затемнения

Уменьшение среднего значения тока через СИД с интегрированным светорегулятором продлевает срок службы светодиодов за счет снижения температуры. Схема защиты должна в идеале обладать сглаженными характеристиками питания светодиодов, в то время как прямое  переключение может привести к мерцанию света. Если источник света, управляемый  новыми драйверами СИД, начнет перегреваться, то ИМС драйвера начнет постепенно, а не скачкообразно уменьшать средний ток светодиодов.

Такой непрерывный диапазон регулировки позволяет системе достичь положения равновесия, что обеспечивает работу источника света в требующих непрерывного освещения условиях, хотя и с пониженной светоотдачей. Если тепловой баланс окажется нарушенным за счет дополнительной тепловой нагрузки, постепенное снижение среднего тока СИД продолжится до уровня 25% от целевого показателя светоотдачи, и при этом источник света продолжит работать.

Механизм смарт-затемнения позволяет проектировать системы освещения в соответствии с основным диапазоном рабочих температур. Непредвиденные пиковые температурные нагрузки, которые могли бы повредить светодиодные системы, могут быть предотвращены  с помощью функции смарт-затемнения. Это позволяет уменьшать  размер теплоотвода при проектировании, не снижая надежности.

Общая концепция, лежащая в основе этого подхода, представлена на рисунке 4. Светодиодный драйвер, термически соединенный с СИД (или с последовательной цепью СИД), настроен для обеспечения требуемого тока нагрузки (IL) для светодиодов. Драйвер СИД генерирует ток  IL в соответствии с управляющим сигналом VDRIVE. Соответственно, этот сигнал косвенно определяет средний ток нагрузки  и, в свою очередь, интенсивность свечения светодиода. Зависимый от температуры сигнал VDRIVE  генерирует схема измерения температуры. Светодиодный драйвер должен быть размещен в непосредственном контакте со светодиодами, чтобы точно определять их температуру.

Напряжение драйвера VDRIVE  уменьшается после достижения первой заданной температуры (Т1 на рисунке 4). С повышением температуры снижение напряжения VDRIVE  продолжается и остается приблизительно постоянным после превышения второй заданной температуры (Т2). Однако, при перегреве происходит отключение, если температура продолжит повышаться и превысит  максимальную температуру ТМАХ.

Рис. 4. Базовая концепция регулируемой защиты от перегрева

Рис. 4. Базовая концепция регулируемой защиты от перегрева

Запатентованная схема создана на основе стандартных компонентов – резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов, компараторов и операционных усилителей (рисунок 5). Измерение температуры осуществляется с помощью последовательно включенных кремниевых диодов, размещенных рядом с силовыми каскадами, как наиболее горячими и удобными для определения температуры драйвера. Если светодиоды нагреваются, то повышается и температура выходных каскадов драйвера, а расположенные рядом с ними диоды защитят микросхему от перегрева.

Рис. 5. Упрощенная блок-схема смарт защиты от перегрева

Рис. 5. Упрощенная блок-схема смарт-защиты от перегрева

Необходимо отметить, что сигнал VDRIVE сравнивается с внутренним сигналом пилообразной формы для генерации внутреннего сигнала ШИМ с целью  затемнения. Ток ITEMP формируется из температурно зависимого тока ISLOPE и фиксированного, независимого от температуры тока, создаваемого транзистором Т2, кремниевым диодом D2 и резистором R1. Внешний резистор (REXT) является задающим элементом источника тока, выходной сигнал которого добавляется к зависимому от температуры току N × ITEMP. Точка срабатывания защиты, с которой начинается наклон характеристики, может быть выбрана с помощью этой аналоговой цепи. Выделенные токи реализуются при замкнутом/разомкнутом (short/open) состоянии REXT, они устанавливают известный наклон характеристики. Оба состояния определяются компаратором.

Характеристика тока падает с определенным уклоном до минимальной величины, определяемой схемой защиты. Если при достижении минимального значения драйвер перегревается, схема защиты сохраняет светодиодное освещение на установленном уровне. При дальнейшем повышении температуры свыше 160°С, сигнал VDRIVE и, соответственно, светодиодный ток полностью отключаются.

Оптимизация соотношения срок службы/стоимость

Производители светильников могут регулировать температуру срабатывания защиты, выбирая значение недорогого внешнего резистора в соответствии с условиями применения и требованиями пользователей.

Снижение тока начинается с регулируемого  внешним резистором температурного порога на корпусе драйвера СИД. Точка срабатывания и соответствующая кривая могут  быть установлены с помощью резистора, подключенного между выводом Tadj и шиной GND (рисунок 2).

Начальная точка снижения тока при повышении температуры может быть выбрана в соответствии с конкретными требованиями к светодиодному светильнику. Поэтому разработчики систем освещения могут оптимизировать свои продукты по стоимости и сроку службы. В случае гарантированного длительного срока службы можно принять решение об установке точки срабатывания на более низкой температуре. Если стоимость является основным конкурентным критерием, точка срабатывания защиты может быть установлена на более высокой температуре, чтобы обеспечить номинальный световой поток и защитить систему функцией термозащиты ИМС вместо увеличения размеров теплоотвода, обеспечивая эксплуатацию во всем рабочем диапазоне температуры.

Обратите внимание, что радиатор должен быть сконструирован таким образом, чтобы поддерживать рабочий диапазон температуры СИД при нормальных условиях эксплуатации.

На рисунке 6 приведены результаты измерений характеристики выходного тока светодиодов в зависимости от температуры корпуса драйвера ILD6070 с подключением между выводом Tadj и GND резисторов в 0, 10, 20, 35 кОм или с разомкнутым соединением Tadj и GND.

Рис. 6. Настраиваемые точка срабатывания защиты и наклон характеристики затемнения

Рис. 6. Настраиваемые точка срабатывания защиты и наклон характеристики затемнения

Сохранение цвета источника света

Снижение яркости с использованием внутреннего сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в процессе термозащиты гарантирует сохранение цвета источника света. Поскольку цвет остается практически неизменным, срабатывание системы защиты от перегрева происходит незаметно для глаза.

Встроенная схема защиты от перегрева позволяет уменьшать ток светодиода за счет внутренней широтно-импульсной модуляции после достижения точки срабатывания по превышению температуры ИМС.

Ток светодиодов в режиме срабатывания тепловой защиты будет модулироваться путем изменения скважности внутреннего сигнала ШИМ с частотой 1,6 кГц. В результате выходной сигнал, генерируемый СИД, будет также модулироваться импульсами ШИМ. Основным преимуществом выходного сигнала с ШИМ является неизменная длина волны и, следовательно, цвета излучаемого света.

Как показано на рисунке 7, волновой спектр излучения лишь уменьшается по амплитуде  при установке разных по номиналу внешних резисторов. В процессе экспериментального исследования осветительный модуль нагревался светодиодами и горячим воздухом до 120°C, когда ИМС переходила в режим тепловой защиты.

Рис. 7. Цвет светового излучения не меняется при использовании ШИМ в режиме термозащиты

Рис. 7. Цвет светового излучения не меняется при использовании ШИМ в режиме термозащиты

Заключение

Регулирование тепла, излучаемого светодиодными и иными электронными компонентами, является ключевой задачей при внедрении высококачественных светодиодных осветительных систем. Кроме использования традиционных  теплоотводов, конструкторам светильников рекомендуется рассмотреть и иные способы контроля высокой термической нагрузки на печатную плату. В результате можно получить целый ряд преимуществ для производителей и конечных пользователей светильников:

  • Снижение совокупных затрат владельца за счет увеличения срока службы светодиодной системы.
  • Отсутствие выключения света в режиме термозащиты. В большинстве случаев уровень освещения будет достаточным.
  • Сокращение издержек на теплозащиту системы, поскольку при наличии термического контакта ИМС с СИД не требуется внешний терморезистор, а конструкция теплоотвода может быть оптимизирована.
  • Вариативность использования ИМС светодиодного драйвера и терморезистора в зависимости от расстояния между драйвером и светодиодами.
  • Возможность гибко регулировать температуру срабатывания для запуска теплозащиты в зависимости от требований пользователя и условий применения.

Литература

  1. DOE: «Тепловое управление белыми светодиодами», Февраль 2007 г;
  2. Mentor Graphics whitepaper: «Решение на уровне системы терморегулирования проблем светодиодных источников», 2011 г;
  3. Infineon Technologies, замечания по применению: «ILD6070 60 В/0,7 – высокоэффективный понижающий драйвер СИД с регулируемой тепловой защитой», Июль 2013 г;
  4. Infineon Technologies, замечания по применению: «ILD6150/ ILD6070 – тепловое управление для систем светодиодного освещения», август 2013 г.

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее