Защита мощных светодиодов от перегрева

При работе мощных светодиодов большой яркости серьезной проблемой является выделение боль­шого количества тепла. Известно, что около 80% пот­ребляемой светодиодом мощности рассеивается в виде тепла. Разработчики систем освещения автомо­биля могут столкнуться с необходимостью решения этой проблемы.

А. Мельниченко

Уже ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что устойчивость к механическим воздействиям и боль­шой срок службы светодиодов подтверждают неоспо­римые преимущества их использования в автомоби­льной электронике. Однако при применении мощных светодиодов большой яркости серьезной проблемой является выделение большого количества тепла, так как известно, что в тепло преобразуется около 80% потребляемой светодиодом мощности.

Поскольку даже наиболее эффективные спосо­бы отвода тепла могут оказаться неприемлемыми при создании системы освещения, задача поддер­жания безопасных режимов эксплуатации светоди­одов и уменьшения влияния тепловых эффектов на их срок службы ложится на автомобильную элект­ронику.

Зависимость параметров светодиодов от температуры

Даже беглое знакомство с техническими условия­ми на светодиоды большой яркости позволяет выде­лить некоторые из основных параметров, ухудшаю­щихся с повышением температуры.

Срок службы светодиодов обратно пропорциона­лен рассеиваемой мощности и температуре перехо­да. Изготовители светодиодов гарантируют время средней наработки до отказа (MTBF) около 100 млн часов при 80 °С. На практике отказ светодиодов в ав­томобильных системах не является источником боль­ших проблем. Однако, при недостаточном отводе тепла температура перехода светодиодов может по­вышаться до 120 °С и более, что приводит к сущест­венному сокращению их срока службы, а в отдельных случаях — к выходу из строя.

Обычно светодиоды располагают в пластмассо­вых корпусах, которые, во-первых, препятствуют эффективному отводу тепла, а, во-вторых, не поз­воляют разместить теплоотводы необходимой пло­щади.

Относительная величина светового потока, излу­чаемого светодиодом, обратно пропорциональна температуре его перехода. Хотя технические условия различных производителей светодиодов отличаются друг от друга, однако, приведенные в них данные поз­воляют сделать вывод о том, что уменьшение свето­вого потока при максимальной температуре состав­ляет порядка 30%.

Уменьшение светового потока с течением време­ни также пропорционально температуре перехода и составляет обычно 30% после 50 тыс. часов работы при T_J=70 °С. Можно предположить, что с ростом тем­пературы этот процесс будет усугубляться, однако, численные соотношения в литературе не приводятся.

На практике уменьшение светоотдачи (независи­мо от причины, его вызвавшей) не является серьез­ной проблемой. Во всяком случае, эффективность светодиодов сопоставима с альтернативными источ­никами света.

Методы уменьшения температуры перехода

В электронные устройства для питания свето­диодов могут быть заложены дополнительные функции контроля температуры перехода и регу­лировки тока через светодиод для поддержания этой температуры в заданных пределах, что позво­лит предотвратить преждевременный выход свето­диода из строя. Ток через светодиод при этом, ес­тественно, уменьшится, однако, срок его службы увеличится.

На рис. 1 показана электрическая схема одного из таких устройств, в котором для регулировки темпера­туры использован DC/DC-преобразователь с вольт- добавкой. Устройство позволяет регулировать ток светодиода в пределах до 1 А. Его напряжение пита­ния составляет от 4 до 6 В.

Рис. 1. Электрическая схема устройства управления с защитой светодиода от перегрева

Описание работы преобразователя

Когда ключ Q1 замкнут, ток протекает через свето­диод и катушку индуктивности L1. Этот ток достигает

величины, при которой напряжение на резисторе R_sense достигает порогового значения U1. При этом контроллер ZXSC300 снимает напряжение управле­ния с ключа Q1 и последний закрывается. Накоплен­ная в индуктивности L1 энергия вызывает протекание тока через диод D1 и светодиод. Спустя 1.7 мкс конт­роллер вновь подает управляющее напряжение на ключ Q1 и процесс повторяется с частотой около 150 кГц.

Регулировка температуры светодиода

Для регулировки температуры используется NTC-терморезистор сопротивлением 150 кОм, име­ющий тепловой контакт со светодиодом. С повыше­нием температуры сопротивление терморезистора уменьшается, а напряжение на выводе I_SENSE конт­роллера увеличивается. Это, в свою очередь, при­водит к тому, что контроллер выключает ключ Q1 при меньшем токе через светодиод. Сопротивления резисторов R_gain и R_sense выбираются такими, чтобы температура светодиода не превышала некоторого максимального значения. Как видно из графика рис. 2, изменения напряжения питания практически не оказывают влияния на процесс регулирования температуры.

Рис. 2. Зависимость пикового тока светодиода от температуры в интервале напряжений питания от 4 до 6 В

Таблица зависимости сопротивления терморезистора и тока светодиода от температуры

Расчет параметров схемы

Зависимости между сопротивлениями резисторов и параметрами схемы, показанной на рис. 1, выража­ются простыми соотношениями:

VCC—Vsense=IthermalxRNTC.

Напряжение Vsense контроллера ZXSC300 составля­ет 20 мВ и практически не зависит от напряжения VCC.

Таким образом, Ithermal=VCC/RNTC.

Принимая, что Ipeak>>Ithermal и Rgain>>Rsense, получа­ем:

Vsense=(Itherma|XRgain)+(IpeakXRsense), Ipeak=(Vsense—ItheimalxRgain)/Rsense = [Vsense-(WRNTc)xRgain]/Rsense.

В этой схеме в качестве датчика температуры ис­пользуется терморезистор фирмы Taiyo Yuden сопро­тивлением 150 кОм. Максимальная температура све­тодиода поддерживается на уровне 75 °С, ток свето­диода составляет 833 мА. Сопротивление резистора R_gain составляет 10 Ом, a R_sense — 20 мОм.

В таблице приведена зависимость сопротивле­ния терморезистора и максимального тока светоди­ода от температуры. График этой зависимости в ин­тервале напряжений питания от 4 до 6 В показан на рис. 2.

Параметры этой схемы рассчитаны на ток све­тодиода 833 мА. Изменением величины R_sense схема может быть легко перестроена для токов меньшей величины. Значение предельной температуры можно изменить подбором сопротивления резис­тора Rgain.

Заключение

Приведенные в статье данные показывают, что мощные и относительно дорогие светодиоды высо­кой яркости могут быть защищены от перегрева путем добавления в схему управления нескольких простых и дешевых компонентов. Таким же способом можно создать схему защиты с использованием и других контроллеров серии ZXSC.