一種led燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法,其根據(jù)LED燈散熱器當(dāng)前值及其變化速率，在線自適應(yīng)調(diào)整LED燈輸入功率，并且使得因環(huán)境溫度的上升引起的散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)；不論環(huán)境溫度的變化如何，散熱器上的溫度都會在規(guī)定范圍內(nèi)達(dá)到平衡，避免高溫?fù)p壞LED器件，從而提高了LED燈在高溫環(huán)境中的可靠性。該自適應(yīng)控制電路及方法特別適合于環(huán)境溫度變化較大的場合；由于該技術(shù)僅使用用少量硬件，實施方式簡單，便于推廣；且與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，提高了可靠性、降低了成本，擴(kuò)大了使用范圍。
【專利說明】一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法，特別是在環(huán)境溫度急劇上升情況下而能維持LED燈正常工作的溫度在線自適應(yīng)控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED燈具，特別是LED路燈的工作環(huán)境溫度變化甚大，冬季可能在零下20度以下，夏季則高達(dá)60度以上；較大的溫差給散熱設(shè)計帶來了麻煩。如果按最高環(huán)境溫度設(shè)計，使得LED燈的重量增加、成本攀升，也是這種綠色照明產(chǎn)品推向市場的瓶頸；否則，保持在高溫環(huán)境條件下工作的可靠性問題難以解決。
[0003]目前，解決該問題的途徑主要有兩類；一類是對散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和研制，來改善LED燈具的散熱條件，但是在產(chǎn)品定型后，則不能對工作環(huán)境和工作條件的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。另一類方式是在運行過程中對散熱器溫度進(jìn)行監(jiān)控和控制的方法，也是目前研究的熱點。比較簡單的方法是過熱斷電保護(hù)的方法，即在LED燈散熱器上安裝一個溫度傳感器，當(dāng)檢測到散熱器的溫度超過最高允許值時，則通過與該溫度傳感器相連接的硬件電路關(guān)斷LED驅(qū)動器，切斷電源，以免發(fā)光二極管在高溫情況下被燒毀。但是，這種方法的弊端是會造成照明中斷，甚至引發(fā)連帶事故。如文獻(xiàn)《大功率半導(dǎo)體照明驅(qū)動電源設(shè)計》(長春工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011年)中提出了一種自適應(yīng)控制方法，在LED燈散熱器上安裝一個溫度傳感器，并將它的輸出與單片機(jī)相連接，當(dāng)單片機(jī)檢測到散熱器的溫度超過允許值時，則通過其PWM輸出端控制LED燈的輸入功率，降低發(fā)熱量，使得LED燈散熱器的溫度恢復(fù)正常。該方法的控制效果較好，但卻帶來了控制系統(tǒng)復(fù)雜、制作成本增加的問題，特別是不適用于應(yīng)用廣泛的小功率綠色照明系統(tǒng)，使用范圍非常有限。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法，該電路及方法根據(jù)LED燈散熱器當(dāng)前值及其變化速率，在線自適應(yīng)調(diào)整LED燈輸入功率，并使得因環(huán)境溫度的上升引起的散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)，從而使散熱器溫度保持在安全范圍內(nèi)，避免高溫?fù)p壞LED器件，特別適合于環(huán)境溫度變化較大的場合。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括溫度傳感器D1、梯度調(diào)節(jié)電阻R1、分壓電阻R2、負(fù)載電路恒流控制電阻R3，其特征在于=V1是控制LED燈具輸入電壓，溫度傳感器D1是與LED燈具同型號的LED 二極管，梯度調(diào)節(jié)電阻R1是用來改變V1隨溫度上升而下降的曲線斜率，R2為分壓電阻，其分壓值的大小取決于R3,是R3壓降V3的上限值，R3為負(fù)載電路恒流控制電阻；
[0006]當(dāng)環(huán)境溫度上升時，由于溫度傳感器D1的負(fù)溫度特性，使得Vft下降；由于R1的調(diào)節(jié)作用，則V1的下降速率限制為ΛΑ/Λ T ^ δ ；
[0007]由于V1是用來控制LED燈具輸入功率的，使得LED芯片的熱耗散量Pd也按δ減??；同時，由于環(huán)境溫度的升高，散熱器的耗散能力下降，下降速率為Λ Pd/ ΔΤ=η ；
[0008]由于電路中元件選擇的條件是保障δ = η為前提的，即散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)；由于δ = η條件的保障，散熱器上的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)達(dá)到平衡。
[0009]有益效果
[0010]本發(fā)明提出的一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法，其根據(jù)LED燈散熱器當(dāng)前值及其變化速率，在線自適應(yīng)調(diào)整LED燈輸入功率，并使得因環(huán)境溫度的上升引起的散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)，不論環(huán)境溫度的變化如何，散熱器上的溫度都會在規(guī)定范圍內(nèi)達(dá)到平衡，避免高溫?fù)p壞LED器件，從而提高了 LED燈在高溫環(huán)境中的可靠性。本發(fā)明控制電路及方法特別適合于環(huán)境溫度變化較大的場合；由于該技術(shù)僅使用用少量硬件，實施簡單，便于推廣；且與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，提高了可靠性、降低了成本，擴(kuò)大了使用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012]圖1為LED燈的溫度在線 自適應(yīng)調(diào)整電路原理圖。
【具體實施方式】
[0013]本實施例是一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法。
[0014]Α.本發(fā)明提出的理論依據(jù)
[0015]LED工作時，因為熱阻的存在，PN結(jié)的溫度表示為:
[0016]Tj=VR0Pd(I)
[0017]式中，Tj為PN結(jié)溫度，Ta為環(huán)境溫度，
[0018]Re為PN結(jié)到環(huán)境的熱阻，Pd為熱耗散；
[0019]其中，PN結(jié)溫度Tj即近似為散熱器溫度；對于LED，輸入電功率的3%~5%轉(zhuǎn)換成光能量輸出，其余部分以熱量形式耗散在器件內(nèi)，因此可近似用正向壓降與輸入電流的乘積表示熱耗散PD，不會給實驗研究帶來很大偏差。
[0020]對于固定的器件散熱結(jié)構(gòu)和電器連接，芯片到環(huán)境的熱阻是一定的，這樣，在輸入功率恒定的情況下，可近似認(rèn)為環(huán)境溫度的改變量就等于管芯PN結(jié)溫度的改變值。
[0021]環(huán)境溫度的升高對LED性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在兩方面:
[0022]其一是LED兩端正向壓降單調(diào)減小；如果選擇與燈具同型號的LED 二極管作為溫度傳感器D1,以保證在寬溫度范圍內(nèi)熱參數(shù)的一致性，則D1的PN結(jié)電壓Vft可近似表示為:
[0023]VFT=VF0+K (T-T0)⑵
[0024]式中Vft是環(huán)境溫度為T時溫度傳感器D1兩端的電壓，Vfci是環(huán)境溫度為Ttl時D1兩端的電壓，K是電壓隨溫度變化系數(shù)，為負(fù)值。例如，發(fā)光材料為InGaN、襯底材料為SiC的LED芯片的K值為:-2.66 (mV/度)。
[0025]其二，LED燈散熱能力下降；由⑴式有:
[0026]Pd=(Tj-Ta) /Re⑶[0027]顯然，對于給定?\、Re值，當(dāng)Ta升高時，允許熱耗散功率Pd隨之下降。
[0028]由公式(2)、⑶可以看出:當(dāng)環(huán)境溫度升高時不但使得LED芯片的熱耗散能力下降，也使得其PN結(jié)壓降下降，這兩者都進(jìn)一步使得LED燈熱環(huán)境惡化。本發(fā)明是針對這一需求而提出來的，通過在線自適應(yīng)耗散功率的調(diào)整，使得散熱器溫度保持在允許范圍內(nèi)。
[0029]B.本發(fā)明【具體實施方式】 [0030]參閱圖1，本發(fā)明各元器件作用及參數(shù)計算方法如下:
[0031]⑴溫度傳感器D1，是與LED燈具同型號的LED 二極管，以保證在寬溫度范圍內(nèi)熱參數(shù)的一致性。D1具有負(fù)溫度特性，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，其PN結(jié)電壓Vft將會下降。
[0032]⑵梯度調(diào)節(jié)電阻R1，用來改變V1隨溫度上升而下降的曲線斜率，它是本發(fā)明的核心。
[0033]V1隨溫度變化的變化速率δ為:
[0034]V1=VJVft=10RaVfTc^K (T-T0)(4)
[0035]由⑷式得到:
[0036]Δ V1/ Δ T ^ KT/ (V2+VFT0) = δ(5)
[0037]另外，隨著環(huán)溫的變化，由(3)式可得散熱器的耗散速率Π表示為:
[0038]Δ Pd/ Δ Τ=Δ T/Re=n(6)
[0039]要使得環(huán)境溫度升高時散熱器溫度恒定，需滿足δ =q，可得:
[0040]KT/ (V2+VFT0)=A T/Re
[0041]即IV2=1R1=VfVKR0 ；
[0042]所以:
[0043]R1=(VfVKR0)Z1(7)
[0044]式(7)中，Vf,V K、Re、I。均為已知量。
[0045]⑶分壓電阻R2，其分壓值的大小取決于R3,是R3壓降V3的上限值；
[0046]設(shè)R2=I^r2,按本發(fā)明的要求，I^r2的選擇需滿足如下條件；
[0047]分壓要求:即r1、r2的選擇需滿足V1IV(I^r2)=I1R3,以使得電路同時起到溫度保護(hù)及恒流的作用。
[0048]分流要求:由于Itl是恒流源輸出，為了避免路的分流而影響精度，須使得R2的阻值足夠大，對恒流源的分流盡量小，約為0.02L。
[0049](4)負(fù)載電路恒流控制電阻&，本發(fā)明對該電阻的要求是:既要使得R3耗散功率達(dá)到最小，也要使得檢測到的V3(I1R3)值滿足電壓比較器輸入的抗干擾、精度要求，一般為幾十~幾百毫歐姆，視負(fù)載電流的大小確定。
[0050](5)其它元件的選擇按一般電路設(shè)計原則選擇，恒流源輸出電流Ici約為D1額定電流的1/10 ;IC1、IC2、IC3選擇一般的MOS器件；功率管按負(fù)載大小選擇；三角波發(fā)生器選現(xiàn)成電路。
[0051]控制過程:
[0052]本發(fā)明控制電路及方法，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，由于溫度傳感器D1的負(fù)溫度特性，使得Vft下降。但是，由于R1的調(diào)節(jié)作用，則V1的下降速率限制為Λ VAT ^ δ。
[0053]由于V1是用來控制LED燈具輸入功率的，使得LED芯片的熱耗散量Pd也按δ減??；另一方面，由于環(huán)境溫度的升高，散熱器的耗散能力也下降，下降速率為Λ Pd/ Λ T=n。[0054] 由于電路中元件選擇的條件是保障δ = η為前提的，即散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)；因之，不論環(huán)境溫度的變化如何，由于δ = η條件的保障，散熱器上的溫度都會在規(guī)定范圍內(nèi)達(dá)到平衡，從而提高了 LED燈在高溫環(huán)境中的可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種LED燈具散熱器溫度在線自適應(yīng)控制電路及方法，包括溫度傳感器D1、梯度調(diào)節(jié)電阻R1、分壓電阻R2、負(fù)載電路恒流控制電阻R3，其特征在于=V1是控制LED燈具輸入電壓，溫度傳感器D1是與LED燈具同型號的LED 二極管，梯度調(diào)節(jié)電阻R1是用來改變V1隨溫度上升而下降的曲線斜率，R2為分壓電阻，其分壓值的大小取決于R3,是R3壓降V3的上限值，R3為負(fù)載電路恒流控制電阻； 當(dāng)環(huán)境溫度上升時，由于溫度傳感器D1的負(fù)溫度特性，使得Vft下降；由于R1的調(diào)節(jié)作用，則V1的下降速率限制為ΛΑ/Λ T ^ δ ； 由于V1是用來控制LED燈具輸入功率的，使得LED芯片的熱耗散量Pd也按δ減??；同時，由于環(huán)境溫度的升高，散熱器的耗散能力下降，下降速率為Λ Pd/ ΔΤ=η ； 由于電路中元件選擇的條件是保障S = Ii為前提的，即散熱器耗散能力的下降量與輸入功率的下降量相當(dāng)； 由于S = Ii條件的保障，散熱器上的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)達(dá)到平衡。
【文檔編號】F21V29/00GK103747587SQ201410018278
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】景占榮, 張玥, 羊彥 申請人:西北工業(yè)大學(xué)