浅谈LED前照灯降温保护策略

肖 星，徐 青

（奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006）

随着LED光源超高亮度的出现以及用户对汽车灯光的亮度期望越来越高，LED前照灯的应用越来越广泛。众所周知，随着LED结点温度的上升，LED的寿命会随之下降，同时随着芯片温度的升高，LED的光输出会降低。大功率LED的热量管理，就是使PN结产生的热量能尽快散发出去，以提高产品的发光效率，提高产品的饱和电流，同时也提高了产品的可靠性和寿命。本文依据LED前照灯降流降温原理，提出一种降电流保护策略。

1 相关名词解释

1.1 热敏电阻

1）热敏电阻的基本电气特性是：其电阻值随温度变化而改变，热敏电阻自身温度也会随周围温度或电流通过热敏电阻而导致的自热而改变。因而在温度测量、控制和补偿的应用中，要求热敏电阻自耗功率维持在最小，免得引起自热。当周围温度保持不变时，热敏电阻的阻值是热敏电阻自耗功率的函数，此时热敏电阻温度升高到高于环境温度。

2）NTC负温度系数热敏电阻器电阻值随着温度上升而迅速下降，图1为10K NTC热敏电阻特性曲线［1］。根据国标，额定功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值是NTC热敏电阻的标称电阻值。规格书中NTC热敏电阻的阻值，就是该值。

3）PTC正温度系数热敏电阻器电阻值随着温度上升而迅速上升。

图1 NTC阻值-温度特性曲线

1.2 T j温度［2］

1）Tj是LED结温，又称为管芯温度。该数值无法测试得出，只能理论计算得出。

2） Tj＝Ts+Rth×P+δT，要小于规格上宣称的结温。Rth是LED热阻，P是LED颗粒功率，Ts是LED颗粒焊脚或者热沉处的测量温度，δT是设计余量。

3）LED的Tj温度之所以一直考察高温，是因为高温降低LED的寿命和光通量输出，严重时可以导致LED损坏、熔融等失效模式。

1.3 T a环境温度

Ta指LED颗粒所处的环境温度，是指LED及其PCB板附近的环境温度。

注：在LED灯具应用中，Ta温度不同于整个灯具，尤其是整车灯具所处的环境温度。以下的Ta环境温度是在试验时根据LED的结温特性设置几个Ta数值。

1.4 T c环境温度

Tc表示整个驱动表面温度最高的地方。

1.5 T s（焊盘）温度

Ts是LED直接测出来焊脚或热沉处的温度 （图2）。例：在LED规格书中的Ts=130℃，表示LED的颗粒正常工作的最高温度Ts比Tj温度稍有冗余，以保证LED安全工作。

图2 测量Ts的温度位置图

2 NTC工作原理应用

NTC的工作原理就是热敏电阻在周边温度上升后，电阻值降低。

1） Tj＝Ts+Rth×P+δT。Rth是LED热阻，P是LED颗粒功率，Ts是LED颗粒焊脚温度。

2） Ts=Tntc+ΔT。ΔT是Ts与Tntc之间的温差，是一个定值。

3）Tntc根据模拟的Ts，最终得出一个触发温度X℃。

Tj、Ts、Tntc的位置关系见图3。

图3 NTC工作原理应用

3 LED前照灯降流降温工作原理

图4是LED前照灯降流降温的工作流程图。驱动周期性读取NTC的电压值变化，并将电压值换算成温度，如果Tntc≥X，驱动就会降低输出电流，LED功率降低，热量下降；如果Tntc＜X，驱动就会保持稳定电流输出。以上判定周期性地循环进行。

图4 LED前照灯降流降温工作流程图

4 散热器设计合理性的判断流程

图5为散热器设计合理性的判断流程图，主要是设置试验环境温度，通过CAE模拟Ts的值，计算出Tj，并判定Tntc与触发温度X的关系。

图5 散热器设计合理性的判断流程图

5 被动散热下降温降流保护策略

5.1 前照灯灯壳后部温度场

某车型前照灯周边空气温度随时间变化数据见图6。

图6 某车型温度场采集数据

1）该车型前照灯温度场做了测试，外环境温度33℃，前照灯周边空气温度最高64℃。

2）根据历史车型测试情况，在50℃环境下，前照灯周边空气温度在90℃左右。

5.2 车型a的保护策略 （瞬降）

图7是基于车型a的LED前照灯的电流瞬降曲线。

图7 车型a的LED前照灯电流瞬降曲线

1） 25℃≤Ta≤50℃，点亮2h，NTC稳定温度约122.7℃，LED焊点温度约132.5℃，可以额定负荷进行工作。

2）50℃＜Ta环境点亮2h，NTC123.8℃启动，驱动电流由1200mA降至1080mA （瞬降）。稳定后LED的焊点温度约136℃。

3）经过一段时间后，Ta温度由高降低，Ta＜50℃时，电流回到初始状态。

此款LED前照灯的降温策略，导致驱动电流骤降，光通量有可能骤降风险。

5.3 车型b的保护策略 （动态电流监测）

图8是基于车型b的LED前照灯的电流动态波动曲线。

1） 25℃≤Ta≤50℃，NTC稳定温度约≤117℃，LED焊点温度＜123℃，可以额定负荷进行工作。

图8 车型b的LED前照灯电流动态波动曲线

2） 51℃＜Ta，NTC 117℃启动，驱动电流If由840mA降至655mA（缓降）。环境温度不再上升，维持655mA继续工作。

3）当经过一段时间后，Ta温度由高降低，Ta＜51℃时，电流回到初始状态。

此款LED前照灯的降流降温策略，其驱动每50ms扫描一次NTC电阻的温度，根据策略进行动态升、降电流。

6 总结

根据以上项目经验结合整车温度场数据，我们建议后续的车型采用车型b的降流降温策略，并要求如下。

1） Ta＜70℃，正常功率工作。

2）初定最低在Ta=70℃情况下开始启动降流。

3） 70℃＜Ta≤90℃，继续降流；当Tntc温度降2～5℃，驱动控制电流回升，直到Tntc低于阈值，电流If升回初始值。

4）Ta＞90℃，灯具能够点亮即可，持续降流降温，保护LED功能安全优先。