一种基于结温保护的LED驱动设计

摘要：将LED结温控制在一定范围是确保LED灯具寿命和发光效率的关键。文中探讨了LED结温的测量方法，提出了通过单片机实时测量LED光源的结温，在结温超出设定值时生成PWM信号调整电源的输出功率。文中给出了采用LM3404与PIC12F675组成的基于结温保护的电源原理图和单片机程序框图。试验表明，基于结温保护的LED驱动，可使LED灯具可靠性有效提高。
关键词：LED；结温；脉宽调制；LM3404；PIC12F675

0 引言
随着LED外延材料、芯片工艺及封装技术的进步，LED的发光效率不断提高，这使得LED光源代替传统光源成为可能。理论上说，LED具有寿命长、效率高等优点，但在一些实际应用中却给人留下了光衰大、寿命短的印象，这大大影响了半导体照明的普及和推广。究其原因，主要是LED的驱动电源问题。
LED寿命长、效率高是有前提的，即适宜的工作条件。其中影响寿命和发光效率的主要因素是LED的工作结温。从主流LED厂家提供的测试数据表明，LED的发光效率与结温几乎成反比，寿命随着结温升高近乎以指数规律降低。因此，将结温控制在一定范围是确保LED寿命和发光效率的关键。而将结温控制在一定范围的手段除散热措施外，将结温纳入驱动电源的控制参数是十分必要的。

1 LED结温的检测
LED的结温是指PN结的温度，实际测量LED的结温比较困难，但是可以根据LED的温度特性间接测量。LED的伏安特性和普通的二极管相似。用于白光照明的蓝光LED典型的伏安特性如图1所示。

LED的伏安特性和其它二极管一样具有负温度系数的特点，即在结温升高时I／V曲线出现左移现象，如下图所示。

一般LED的结温每升高1℃，I／V曲线会向左平移1．5～4mV，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加，电流增加只会使它的结温升得更高，甚至导致恶性循环。所以，目前LED驱动电源一般设计为恒流供电。
根据I／V曲线随结温升高左移的规律，在恒流供电的情况下，测量LED的正向电压就可以推算LED结温。
在实际应用中，往往不需要确定LED结温的特别精确的数值，此时可以用试验的方法确定整体灯具LED光源结温的估算数值。以一个12W筒灯为例，光源部分由4并6串中功率LED组成，其电路连接形式如下：

确定正向电压与结温的关系的试验步骤为：1)将光源置入恒温箱中；2)设置恒温箱的温度；3)待恒温箱内温度充分平衡稳定后，在光源两端接入恒流源；4)迅速测量光源的正向电压并记录；5)重复上述步骤1)～(4)，恒温箱温度由低到高，测得多点数据。
按上述步骤，对12W筒灯光源进行三次测量，数据如下：

由表1可以看出，测量数据的一致性和规律性很明显。因测试时间较短，可以将测量时恒温箱设置温度近似等于LED光源的结温。在600mA恒流的情况下，通过数学方法不难得出光源模块正向电压与结温的关系。利用Excel工具，以温度为X轴，平均值为Y轴，生成(X，Y)散点图，选择线性回归分析类型则可生成如下趋势图和公式。

由此可见，一个由4并6串中功率LED组成的光源，在600mA恒流驱动时其正向电压与结温的关系为：

式中Vf为LED光源的正向压降，Tj为结温。需要注意的是，不同厂家不同规格的LED产品虽然都符合上述趋势，但具体数据却有一定的差异，因此更换厂家后规格型号需重新试验。

2 LM3404介绍
随着LED照明应用的发展，国内外厂家推出了很多用于驱动LED的器件。其中美国国家半导体公司推出的LM3404及系列产品就是一款非常适用于中小功率LED光源的恒流驱动芯片。