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《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)

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