淺談LED前照燈降溫保護策略

肖 星，徐 青

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

隨著LED光源超高亮度的出現(xiàn)以及用戶對汽車燈光的亮度期望越來越高，LED前照燈的應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，隨著LED結(jié)點溫度的上升，LED的壽命會隨之下降，同時隨著芯片溫度的升高，LED的光輸出會降低。大功率LED的熱量管理，就是使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快散發(fā)出去，以提高產(chǎn)品的發(fā)光效率，提高產(chǎn)品的飽和電流，同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。本文依據(jù)LED前照燈降流降溫原理，提出一種降電流保護策略。

1 相關(guān)名詞解釋

1.1 熱敏電阻

1）熱敏電阻的基本電氣特性是：其電阻值隨溫度變化而改變，熱敏電阻自身溫度也會隨周圍溫度或電流通過熱敏電阻而導(dǎo)致的自熱而改變。因而在溫度測量、控制和補償?shù)膽?yīng)用中，要求熱敏電阻自耗功率維持在最小，免得引起自熱。當(dāng)周圍溫度保持不變時，熱敏電阻的阻值是熱敏電阻自耗功率的函數(shù)，此時熱敏電阻溫度升高到高于環(huán)境溫度。

2）NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器電阻值隨著溫度上升而迅速下降，圖1為10K NTC熱敏電阻特性曲線［1］。根據(jù)國標(biāo)，額定功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度25℃時測得的電阻值R25，這個電阻值是NTC熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。規(guī)格書中NTC熱敏電阻的阻值，就是該值。

3）PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻器電阻值隨著溫度上升而迅速上升。

圖1 NTC阻值-溫度特性曲線

1.2 T j溫度［2］

1）Tj是LED結(jié)溫，又稱為管芯溫度。該數(shù)值無法測試得出，只能理論計算得出。

2） Tj＝Ts+Rth×P+δT，要小于規(guī)格上宣稱的結(jié)溫。Rth是LED熱阻，P是LED顆粒功率，Ts是LED顆粒焊腳或者熱沉處的測量溫度，δT是設(shè)計余量。

3）LED的Tj溫度之所以一直考察高溫，是因為高溫降低LED的壽命和光通量輸出，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致LED損壞、熔融等失效模式。

1.3 T a環(huán)境溫度

Ta指LED顆粒所處的環(huán)境溫度，是指LED及其PCB板附近的環(huán)境溫度。

注：在LED燈具應(yīng)用中，Ta溫度不同于整個燈具，尤其是整車燈具所處的環(huán)境溫度。以下的Ta環(huán)境溫度是在試驗時根據(jù)LED的結(jié)溫特性設(shè)置幾個Ta數(shù)值。

1.4 T c環(huán)境溫度

Tc表示整個驅(qū)動表面溫度最高的地方。

1.5 T s（焊盤）溫度

Ts是LED直接測出來焊腳或熱沉處的溫度 （圖2）。例：在LED規(guī)格書中的Ts=130℃，表示LED的顆粒正常工作的最高溫度Ts比Tj溫度稍有冗余，以保證LED安全工作。

圖2 測量Ts的溫度位置圖

2 NTC工作原理應(yīng)用

NTC的工作原理就是熱敏電阻在周邊溫度上升后，電阻值降低。

1） Tj＝Ts+Rth×P+δT。Rth是LED熱阻，P是LED顆粒功率，Ts是LED顆粒焊腳溫度。

2） Ts=Tntc+ΔT。ΔT是Ts與Tntc之間的溫差，是一個定值。

3）Tntc根據(jù)模擬的Ts，最終得出一個觸發(fā)溫度X℃。

Tj、Ts、Tntc的位置關(guān)系見圖3。

圖3 NTC工作原理應(yīng)用

3 LED前照燈降流降溫工作原理

圖4是LED前照燈降流降溫的工作流程圖。驅(qū)動周期性讀取NTC的電壓值變化，并將電壓值換算成溫度，如果Tntc≥X，驅(qū)動就會降低輸出電流，LED功率降低，熱量下降；如果Tntc＜X，驅(qū)動就會保持穩(wěn)定電流輸出。以上判定周期性地循環(huán)進行。

圖4 LED前照燈降流降溫工作流程圖

4 散熱器設(shè)計合理性的判斷流程

圖5為散熱器設(shè)計合理性的判斷流程圖，主要是設(shè)置試驗環(huán)境溫度，通過CAE模擬Ts的值，計算出Tj，并判定Tntc與觸發(fā)溫度X的關(guān)系。

圖5 散熱器設(shè)計合理性的判斷流程圖

5 被動散熱下降溫降流保護策略

5.1 前照燈燈殼后部溫度場

某車型前照燈周邊空氣溫度隨時間變化數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 某車型溫度場采集數(shù)據(jù)

1）該車型前照燈溫度場做了測試，外環(huán)境溫度33℃，前照燈周邊空氣溫度最高64℃。

2）根據(jù)歷史車型測試情況，在50℃環(huán)境下，前照燈周邊空氣溫度在90℃左右。

5.2 車型a的保護策略 （瞬降）

圖7是基于車型a的LED前照燈的電流瞬降曲線。

圖7 車型a的LED前照燈電流瞬降曲線

1） 25℃≤Ta≤50℃，點亮2h，NTC穩(wěn)定溫度約122.7℃，LED焊點溫度約132.5℃，可以額定負(fù)荷進行工作。

2）50℃＜Ta環(huán)境點亮2h，NTC123.8℃啟動，驅(qū)動電流由1200mA降至1080mA （瞬降）。穩(wěn)定后LED的焊點溫度約136℃。

3）經(jīng)過一段時間后，Ta溫度由高降低，Ta＜50℃時，電流回到初始狀態(tài)。

此款LED前照燈的降溫策略，導(dǎo)致驅(qū)動電流驟降，光通量有可能驟降風(fēng)險。

5.3 車型b的保護策略 （動態(tài)電流監(jiān)測）

圖8是基于車型b的LED前照燈的電流動態(tài)波動曲線。

1） 25℃≤Ta≤50℃，NTC穩(wěn)定溫度約≤117℃，LED焊點溫度＜123℃，可以額定負(fù)荷進行工作。

圖8 車型b的LED前照燈電流動態(tài)波動曲線

2） 51℃＜Ta，NTC 117℃啟動，驅(qū)動電流If由840mA降至655mA（緩降）。環(huán)境溫度不再上升，維持655mA繼續(xù)工作。

3）當(dāng)經(jīng)過一段時間后，Ta溫度由高降低，Ta＜51℃時，電流回到初始狀態(tài)。

此款LED前照燈的降流降溫策略，其驅(qū)動每50ms掃描一次NTC電阻的溫度，根據(jù)策略進行動態(tài)升、降電流。

6 總結(jié)

根據(jù)以上項目經(jīng)驗結(jié)合整車溫度場數(shù)據(jù)，我們建議后續(xù)的車型采用車型b的降流降溫策略，并要求如下。

1） Ta＜70℃，正常功率工作。

2）初定最低在Ta=70℃情況下開始啟動降流。

3） 70℃＜Ta≤90℃，繼續(xù)降流；當(dāng)Tntc溫度降2～5℃，驅(qū)動控制電流回升，直到Tntc低于閾值，電流If升回初始值。

4）Ta＞90℃，燈具能夠點亮即可，持續(xù)降流降溫，保護LED功能安全優(yōu)先。