新通訊首頁 | 設成首頁 | 加入我的最愛
 熱門關鍵字  802.11ac | LTE-Advanced | NFC | 穿戴式 | 無線充電
 快速查詢  Analog | Clock | Display | DSP | Embedded | FPGA | Interface | LED | MCU | Memory | MEMS | Photovoltaic | Power | Processor | RF | Sensor | Touch | 儀器
會員登入
帳號
密碼
忘記密碼
立即加入免費會員
學技術熱門文章排行
更多熱門文章
熱賣商品
更多熱賣商品
分享 將此篇文章跟 Facebook 上的朋友分享 將此篇文章跟 Plurk 上的朋友分享 將此篇文章跟 Twitter 上的朋友分享 轉寄列印 RSS
《數位類比轉換器設計探究(3-1)》

運用溫度監控 智慧型LED燈安全性提升

2010/12  Charles Pencil
就新型發光二極體(LED)照明燈具而言,其中最為困難、嚴苛及昂貴的設計工作就是熱管理。若沒有足夠的熱管理可能導致嚴重的後果,燈具故障可能導致周圍漆黑甚至建築物失火。本文將探討如何實作負溫度係數(NTC)熱管理,以達到更安全且更省電的LED設計。
對傳統燈絲型燈泡而言,由燈絲產生的熱溫被適當隔離,不會因直接接觸而進行傳導。就LED照明燈具而言,LED是光源,LED產生的熱,直接接觸到LED燈泡而產生熱傳導。直接接觸是因LED須裝到驅動電路,為移除熱度,須透過散熱或熱管理來將熱溫從LED與驅動電路上排散出去。熱管理或散熱是必要的工作,如此才能讓LED照明燈具持續運作數個小時。  

舉例來說,將一般燈座上的燈具換成LED燈,例如壁燈或嵌入式吸頂燈,此燈具由一個牆壁上的開關來控制。這種應用的散熱效率不理想,因為大多數標準燈具所發出的熱,是透過熱對流或氣流來排散燈具所發出的熱溫,而壁燈或嵌入式吸頂燈原本的散熱機制是針對一般燈泡所設計。  

若沒有足夠的熱管理可能導致必須更換故障的LED燈,甚至是整棟建築物著火的嚴重災難。運用智慧型LED燈光控制技術來監視LED燈具的溫度,能讓熱管理的工作大幅簡化,同時因溫度上升時燈具會降低其功率,LED燈具也會更安全。  

NTC監視溫度 維持LED燈安全 

NTC電路的目的,是藉由監視LED燈具溫度來提升LED燈具的安全性,並降低設計的複雜度。溫度上升時,控制器會降低亮度,讓LED燈維持在安全範圍。也就是說,當溫度上升時就降低亮度,溫度下降時則提高亮度。  

為量測LED燈具的溫度變化,可量測隨著NTC改變的電壓,測得電壓與NTC的溫度間有直接關係,當NTC及周圍電路的溫度上升時,NTC的電阻會降低,有兩種基本方法可透過NTC來測出溫度。 第一種方法是把NTC當成電壓分壓電路,系統連上一個已知的電壓,然後量測NTC節點的電壓。當NTC溫度提高時,電阻會下降。電阻下降會導致電壓-分壓比產生變化,NTC節點的電壓也會隨著溫度上升而下降。  

第二種方法是強制一個已知電流經過NTC,然後量測NTC的電壓。當NTC的溫度提高時,電阻會下降。根據歐姆定律,下降的電阻會造成NTC節點電壓產生變化。當電阻下降且電流維持不變時,NTC節點的電壓也會下降。  

利用這兩種方法來監視LED燈具的溫度,既簡單且容易實作,藉此可改進運作效率與安全性。圖1顯示兩種方法,利用LED燈作為提高溫度的熱源。  

圖1 兩種監視LED燈具溫度的方法。

判別溫度過高/LED燈故障 指示器有妙招 

當LED燈的亮度降低時,必須確知LED燈的輸出亮度下降,究竟是因為溫度過高還是LED燈故障,可運用一個指示器反映亮度下滑的狀況來解決這個問題(圖2)。  

圖2 運用指示器反映亮度下滑狀況,以判別是溫度過高還是LED燈故障。

在這個系統中,亮度下降指示器是一個低功耗的紅光LED燈。當運作中的系統達到最高亮度輸出時,紅光LED燈會關閉。LED燈的溫度上升時,輸出亮度會降低,當輸出亮度下降時,紅光LED燈即開啟。輸出亮度持續下降,紅光LED燈的強度則會相對提高,當輸出亮度下降到最低的強度值,紅光LED燈就會開至最大亮度。  

當亮度在最低強度且LED燈溫度維持高檔,紅光LED燈可當成警報裝置,以指示系統內發生嚴重問題。在警報模式中,紅光LED燈會持續開啟-關閉-開啟-關閉,而白光LED燈則維持關閉。  

圖3顯示一個原生LED驅動器及LED控制器,連結一個NTC與上述提及的警報指示。原生LED燈內含一個LED驅動器,用來提供經過LED燈的電流。驅動器本身無法依據溫度來降低亮度,其所提供的任何溫度監視功能僅能用來保護自己,當溫度過高時會完全關閉。  

圖3 連結NTC與警報指示的原生LED驅動器及LED控制器

LED控制器內含原生型LED驅動器的所有控制功能,並加入智慧判斷機制,開發出額外的智慧功能,如溫度監視器、通訊及調光控制等。圖中的LED控制器內含多個基本模組與標示為藍色底的元件,紅色元件對基本運作而言是非必要的,但為配合討論本文的NTC與警報功能,故亦列出。  

在基本LED燈中加入一個NTC,當溫度達到預設上限時,可在控制的次序下關閉燈光。LED控制器右側的兩個標示為紅色元件--電阻與NTC,在NTC的運作中以第一種方法進行設定。控制器向電阻元件提供精準的電壓,NTC節點的電壓由控制器進行量測,然後轉換成相對系統溫度值。  

警報元件在LED燈指示溫度正在上升,或已升至一定的上限時,安全機制會指示該燈關閉。LED控制器左側的兩個紅色元件--電阻與LED,設定成基本的指示器LED組態。LED的亮度是由一個脈衝調變(PWM)訊號加以控制,當PWM工作週期提高時,LED燈的亮度亦會隨之提高。  

上述的智慧型LED燈當顯示「警示」時,作用就像另一個LED燈號。智慧型LED燈可利用許多種類的通訊介面,LED「警示」僅是其中之一。其他通訊介面包括電力線通訊(PLC)、數位多工(DMX)及數位可定址燈光介面(DALI)等。

溫度決定LED燈亮度  

圖4顯示一個簡單演算法,用來監視LED燈的溫度,以及當溫度處在安全範圍時,將亮度調至一個特定值。流程圖中最上方的區塊「開啟電源–啟動系統(Power On–Initialize The System)」,是微控制器啟動的區塊。當所有開關被打開時,電源會導至LED燈,這個區塊會設定LED燈的基本運作、亮度輸出與溫度量測等功能。  

圖4 監視LED燈溫度的簡單演算法

「燈光是否開啟」區塊負責測試燈光是否被關閉,方法是根據一個過溫條件來判斷。測試過程包括判斷開啟的燈光是否正進行簡單位元測試。若已設定燈光位元,燈光也已開啟,且尚未設定燈光位元,則可判斷燈光處在關閉狀態。當首次導通電源,預設狀態下燈光會開啟,位元也會被設定。  

「警示」控制區塊,當達到溫度超高狀態時,該區塊負責控制「開啟-關閉-開啟-關閉」程序,且控制器會關閉LED燈。下個「燈光是否開啟」區塊則會再次啟動測試程序,要離開警示狀態的唯一方法,就是使用牆壁開關切斷電源,然後再次開啟電源。  

下個區塊「量測溫度」,負責量測NTC節點的電壓。由於NTC通常會隨著溫度呈現非線性的變化,因此測得溫度可與查表中相對應的溫度數據進行比對,這個溫度值會用在下面兩個區塊。  

「安全溫度」區塊負責判斷LED燈的溫度是否處在安全範圍內,若溫度已達設定的最大值,系統會關閉燈光;若溫度低於允許的最大值,系統會進行測試,研判溫度的穩定度。  

「關閉燈光」區塊,負責在LED燈溫度超出安全範圍時關閉燈光。下個區塊「燈光是否開啟」則負責重新啟動測試程序。 「溫度改變」區塊負責判斷從上一次亮度調整後,溫度改變的幅度是否足夠,以確保燈光輸出的上升或下降幅度確實足夠;「溫度提高」區塊則負責判斷溫度是否已提高或降低,這兩個區塊是唯一的選擇。  

「最大亮度」區塊負責判斷LED燈是否設定在最大亮度輸出值,若亮度輸出已達到最大值,「燈光是否開啟」區塊會再次重新啟動測試程序。  

當前一個區塊判斷亮度輸出未達到最大值時,「提高燈光亮度,降低指示燈亮度」區塊就會啟動。這個區塊會降低輸出亮度,在啟動區塊執行時進行設定,同時也會降低指示LED燈的亮度。輸出亮度增加多少幅度,LED指示燈號的亮度就會降低同樣幅度,然後再重新啟動測試程序。  

當「溫度提高」區塊判斷溫度已增加,「最小亮度」區塊就會啟動。若亮度未達到設定的最小值時,執行流程會導向「降低亮度,提高指示燈亮度」區塊;若亮度輸出達到預設的最小值時,「燈光是否開啟」區塊就會再次重新啟動測試程序。  

「降低亮度,提高指示燈亮度」區塊會降低輸出亮度,在啟動區塊執行時進行設定,此區也會提高指示LED燈號的亮度,燈光亮度降低多少幅度,指示燈亮度就會增加同樣的幅度,然後再重新啟動測試程序。  

在此流程圖的程序中,LED燈會被關閉並維持關閉狀態,直到輸入電源重新完成循環為止,因此小幅度的改變即會啟動一個程序,而當燈光被關閉後,溫度會被監視,一但溫度下降到安全門檻時,LED燈就會再次被開啟。  

(本文作者任職於賽普拉斯)

相關文章搜尋
LEDNTCMeasure TemperatureLED照明
更多《數位類比轉換器設計探究(3-1)》系列報導
創造不同使用者體驗 四大觸控螢幕技術各擅勝場
低成本/高效能當道 Femtocell干擾/維運挑戰重重
提高電池穩壓效率 可攜式消費電子功耗大幅降低
晶片技術商業難題迎刃解 形式化驗證不容輕忽
嵌入式應用設計化繁為簡 一次性可編程MCU不可或缺
挾高性能/低成本優勢 外部電容幫浦使用彈性大
真實傳達訊號 DAC搭起數位/類比橋樑
上一篇
晶片技術商業難題迎刃解 形式化驗證不容輕忽
下一篇
提升超音波畫質/降低功耗並進 AFE設計標準化助臂力
這篇文章讓你覺得?
非常滿意 滿意 普通 不滿意 非常不滿意
相關文章
NI推出LabVIEW全新認證等級CLG
快捷舉辦2014年Power Seminar研討會
防堵三星/LG坐大 飛利浦強化智慧照明產品
微芯拓展8位元MCU產品線
三星/LG加入戰局 智慧照明市場熱度升溫

資源中心
MCU創新應用設計實務
更多資源
主題俱樂部
量測儀器特輯
MCU應用特輯
研討會訊息
近期研討會
2014年5月20日 穿戴式裝置商機探究暨設計實務(連續兩天)
2014年5月6日 中功率無線充電商機探究暨設計實務(連續兩天)
精彩回顧
2014年1月8日 無線充電技術趨勢暨系統設計實務(連續兩天)
2013年12月5日 穿戴式應用與技術趨勢研討會
2013年11月21日 消費性MEMS應用與技術趨勢研討會
2013年10月30日 智慧照明應用趨勢暨系統設計實務
2013年9月26日 智慧眼鏡市場與技術趨勢研討會
更多研討會
本期雜誌
傳輸率激增、連接器更薄
USB 3.0插旗4K影音市場

繼去年中推出傳輸速率高達10Gbit/s的SuperSpeed+標準後,USB-IF今年更計畫陸續完成新版高功率USB-PD修定案、更小更薄的新一代Type-C連接器,以及無線USB等規格制定工作,以進一步強化USB 3.0在4K影音應用市場的競爭力。
詳全文
訂閱雜誌 本期目錄
RSS訂閱 | 關於新電子 | 廣告委刊 | 聯絡編輯部 | 聯絡發行部 | 隱私權政策
城邦文化事業股份有限公司版權所有、轉載必究.Copyright (c) 2014 Cite Publishing Ltd.