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以及用戶對汽車燈光的亮度期望越來越高，LED前照燈的應用越來越廣泛。眾所周知，隨著LED結點溫度的上升，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結產生的熱量能盡快散發出去，以提高產品的發光效率，提高產品的飽和電流，同時也提高了產品的可靠性和壽命。本文依據LED前照燈降流降溫原理，提出一種降電流保護策略。

1 相關名詞解釋

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致的自熱而改變。因而在溫度測量、控制和補償的應用中，要求熱敏電阻自耗功率維持在最小，免得引起自熱。當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，此時熱敏電阻溫度升高到高于環境溫度。

2）NTC負溫度系數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］。根據國標，額定功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準溫度25℃時測得的電阻值R25，這個電阻值是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。規格書中NTC熱敏電阻的阻值，就是該值。

3）PTC正溫度系數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結溫，又稱為管芯溫度。該數值無法測試得出，只能理論計算得出。

2） Tj＝Ts+Rth×P+δT，要小于規格上宣稱的結溫。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，嚴重時可以導致LED損壞、熔融等失效模式。

1.3 T a環境溫度

Ta指LED顆粒所處的環境溫度，是指LED及其PCB板附近的環境溫度。

注：在LED燈具應用中，Ta溫度不同于整個燈具，尤其是整車燈具所處的環境溫度。以下的Ta環境溫度是在試驗時根據LED的結溫特性設置幾個Ta數值。

1.4 T c環境溫度

Tc表示整個驅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根據模擬的Ts，最終得出一個觸發溫度X℃。

Tj、Ts、Tntc的位置關系見圖3。

圖3 NTC工作原理應用

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，驅動就會降低輸出電流，LED功率降低，熱量下降；如果Tntc＜X，驅動就會保持穩定電流輸出。以上判定周期性地循環進行。

圖4 LED前照燈降流降溫工作流程圖

4 散熱器設計合理性的判斷流程

圖5為散熱器設計合理性的判斷流程圖，主要是設置試驗環境溫度，通過CAE模擬Ts的值，計算出Tj，并判定Tntc與觸發溫度X的關系。

圖5 散熱器設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據見圖6。

圖6 某車型溫度場采集數據

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

2）根據歷史車型測試情況，在50℃環境下，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穩定溫度約122.7℃，LED焊點溫度約132.5℃，可以額定負荷進行工作。

2）50℃＜Ta環境點亮2h，NTC123.8℃啟動，驅動電流由1200mA降至1080mA （瞬降）。穩定后LED的焊點溫度約136℃。

3）經過一段時間后，Ta溫度由高降低，Ta＜50℃時，電流回到初始狀態。

此款LED前照燈的降溫策略，導致驅動電流驟降，光通量有可能驟降風險。

5.3 車型b的保護策略 （動態電流監測）

圖8是基于車型b的LED前照燈的電流動態波動曲線。

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

圖8 車型b的LED前照燈電流動態波動曲線

2） 51℃＜Ta，NTC 117℃啟動，驅動電流If由840mA降至655mA（緩降）。環境溫度不再上升，維持655mA繼續工作。

3）當經過一段時間后，Ta溫度由高降低，Ta＜51℃時，電流回到初始狀態。

此款LED前照燈的降流降溫策略，其驅動每50ms掃描一次NTC電阻的溫度，根據策略進行動態升、降電流。

6 總結

根據以上項目經驗結合整車溫度場數據，我們建議后續的車型采用車型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℃，繼續降流；當Tntc溫度降2～5℃，驅動控制電流回升，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，持續降流降溫，保護LED功能安全優先。