DE102012003162A1

DE102012003162A1 - Temperature-controlled driver concept for LED lamps

Info

Publication number: DE102012003162A1
Application number: DE102012003162A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-19
Filing date: 2012-02-19
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2013120630A2; WO2013120630A3

Abstract

Die Erfindung schlägt ein neuartiges Treiberkonzept vor, das LED-Lampenchips vor übermässigem stromdichtebedingten Effizienzschwund und beschleunigter Alterung bewahrt. Im Unterschied zu aktuellen Treiberschaltungskonzepten mit vergleichbarer Zielsetzung, die über separate Temperatursensoren am Kühlkörper den Treiberstrom abregeln und damit Regelungsträgheit und Instabilitäten zulassen, erfolgt die Stromregelung alternativ über eine fortlaufende LED-interne Überwachung der Sperrschichttemperatur mittels eines technologietypischen Temperaturkoeffizienten des Vorwärtsspannungsabfalls durch periodisch eingefügte Minimallast-Testimpulse. Ein ähnliches Verfahren wird bereits in Testlaboren angewendet, allerdings erst nach vorheriger Charakterisierung der individuellen Test-LED in einer kontrollierten Temperaturkammer, um Fehler durch Exemplarstreuungen auszuschalten, wie sie sogar innerhalb eines Fertigungloses auftreten können. Da diese Vorgehensweise für die Implementierung in einem Serienprodukt kaum praktikabel ist, schlägt die Erfindung alternativ eine Startsequenz von stromgestaffelten Testimpulsen am Beginn jeder Inbetriebnahme vor, aus deren Spannungsabfallproben das Temperaturverhalten der individuellen LED aufgrund abgelegter Kurvenschartabellen bzw. Algorithmen eines Mikrocontrollers technologietypisch extrapoliert und so die Regelungsparameter des Treibers jeweils für die individuelle LED eingestellt werden.The invention proposes a novel driver concept that protects LED lamp chips from excessive current density-related efficiency degradation and accelerated aging. In contrast to current driver circuit concepts with a comparable objective, which regulate the driver current via separate temperature sensors on the heat sink and thus allow inertness and instabilities, the current control is alternatively via a continuous LED-internal monitoring of the junction temperature by means of a technology-typical temperature coefficient of the forward voltage drop by periodically inserted minimum load test pulses , A similar process is already being used in test laboratories, but only after prior characterization of the individual test LEDs in a controlled temperature chamber to eliminate errors caused by specimen scattering, which may even occur within a manufactured lot. Since this procedure is hardly practicable for implementation in a series product, the invention alternatively proposes a start sequence of current staggered test pulses at the beginning of each commissioning, from whose voltage drop samples the temperature behavior of the individual LED based on stored waveform tables or algorithms of a microcontroller technology typical extrapolated and so the control parameters of the driver for each individual LED.

Description

Stand der Technik: Dem sogenannten Droop-Phänomen, einem stromdichteabhängigen Effizienzschwund, der auch die Alterung von LEDs beschleunigt und dessen halbleiterphysikalischen Ursachen noch wissenschaftlich umstritten sind, wird mit aktuellen Treiberschaltungen Rechnung getragen, die den Treiberstrom in Abhängigkeit von der Temperatur regeln, die ein Sensor am Kühlkörper der LED-Lampe überwacht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Temperaturerfassung nur indirekt erfolgt – also nicht direkt am Entstehungsort- und so mit entsprechender Abschwächung und Verzögerung durch die Entwärmungsbarrieren zu Instabilitäten und Wirkungsgraddefiziten führen kann.PRIOR ART: The so-called droop phenomenon, a power-density-dependent efficiency loss that also accelerates the aging of LEDs and whose semiconductor-physical causes are still scientifically controversial, is taken into account with current driver circuits that regulate the drive current as a function of the temperature that a sensor monitored on the heat sink of the LED lamp. This method has the disadvantage that the temperature detection takes place only indirectly - ie not directly at the place of origin - and thus with appropriate attenuation and delay by the Entwärmungsbarrieren can lead to instability and efficiency deficits.

Alternativ schlägt die Erfindung ein Treiberkonzept vor, das die Sperrschichttemperatur innerhalb des LED-Chips über den technologietypischen Temperaturkoeffizienten des Spannungsabfalls mittels periodisch eingefügter Minimallast-Testimpulse und damit direkt und unverzögert an der Quelle im fortlaufenden Betrieb überwacht. Dieses Verfahren wird im Labor zu Testzwecken bereits angewandt, allerdings erst nach einer Charakterisierung des individuellen Temperaturgangs der jeweiligen Test-LED in einer temperaturgeregelten Wärmekammer, wodurch der üblichen Exemplarstreuung der LEDs im Temperaturgang, die sogar in ein und derselben Fertigungscharge vorkommt, Rechnung getragen wird.Alternatively, the invention proposes a driver concept that monitors the junction temperature within the LED chip via the technology-typical temperature coefficient of the voltage drop by means of periodically inserted minimum load test pulses and thus directly and instantaneously at the source in continuous operation. This method is already used in the laboratory for test purposes, but only after a characterization of the individual temperature response of the respective test LED in a temperature-controlled heat chamber, whereby the usual specimen scattering of the LEDs in the temperature response, which occurs even in the same production batch, is taken into account.

Da dieses Verfahren für eine Serienproduktion von LED-Lampen kaum praktikabel ist, schlägt die Erfindung ein Treiberkonzept vor, bei dem vor jedem Betriebszyklus in einer Initialisierungssequenz von mehreren stromgestaffelten möglichst kurzen Testimpulsen die Temperaturcharakteristik der jeweils angeschlossenen LED über eine rechnergestützte Ähnlichkeitsanalyse auf der Basis von hinterlegten technologietypischen Kurvenschar-Tabellen bzw. entsprechenden Algorithmen ermittelt wird auch unter Berücksichtigung der anfänglichen Umgebungstemperatur, die von einem separaten Temperatursensor erfasst wird. Diesem Verfahren kommt eine Eigenschaft des Droop-Phänomens entgegen, die die energiesparende Wirkung einer Dimmung per Puls-Weiten-Modulation insofern relativiert, dass der Effizienzgewinn der LED, der mit sinkender Stromstärke typischerweise ansteigt, nicht von der gemittelten Stromdichte abhängt, sondern von deren Momentanwert. Damit greift bei der Puls-Weiten-Modulation lediglich der thermodynamische Puffereffekt des Kühlkörpers – allerdings bereits eingeschränkt durch die Entwärmungsbarrieren – und nicht der Mittelwert der Stromdichte im LED-Chip im Unterschied etwa zu einer Glühlampe. Deshalb ist z. B. unter dem Aspekt von Energieeffizienz und Lebensdauer der LED-Lampe die lineare Dimmung bzw. Ansteuerung einer pulsweitenmodulierten generell vorzuziehen.Since this method is hardly practical for series production of LED lamps, the invention proposes a driver concept in which the temperature characteristic of each connected LED via a computer-aided similarity analysis on the basis of stored before each operating cycle in an initialization of several stromgestaffelten the shortest possible test pulses technology-typical set of curves or corresponding algorithms is also determined taking into account the initial ambient temperature, which is detected by a separate temperature sensor. This method is countered by a property of the Droop phenomenon that relativizes the energy-saving effect of dimming by pulse-width modulation in that the efficiency gain of the LED, which typically increases with decreasing current, does not depend on the average current density, but on its instantaneous value , Thus, only the thermodynamic buffer effect of the heat sink - but already limited by the Entwärmungsbarrieren - and not the average value of the current density in the LED chip in contrast to an incandescent lamp attacks in the pulse-width modulation. Therefore, z. B. in terms of energy efficiency and lifetime of the LED lamp, the linear dimming or control of a pulse width modulated generally preferable.

Mit jeder Erhöhung der Sperrschichttemperatur um 1° steigt der Vorwärtsspannungsabfall über einer für Beleuchtungszwecke üblichen GaN-LED um je ca. 3,3 Millivolt im Bereich von ca. 2,2 bis ca. 4,4 Volt. Da diese Werte und insbesondere der untere Ansatzpunkt der Schwellspannung mit einer gewissen Exemplarstreuung temperaturabhängig variieren, ist eine Messung der Sperrschichttemperatur als Indikator für die effizienz- und lebensdauerreduzierende Stromdichte im LED-Chip erst anwendbar, wenn die Temperatur-Kennlinie des Vorwärtsspannungsabfalls zuvor individuell ermittelt wurde. Da diese Kennlinie mit einem gewissen exemplarischen Versatz stets den gleichen halbleiterphysikalischen Gesetzmässigkeiten in ihrem Kurvenverlauf folgt, kann durch wenige optimal verteilte Spannungsmesswerte mit stromstärkegestaffelten möglichst kurzen Teststromimpulsen bei einer vorherigen Messung und Berücksichtigung der Umgebungstemperatur auf den weiteren stromabhängigen Verlauf geschlossen werden, der zuvor aus einer Kurvenschar empirisch ermittelter und tabellarisch abgespeicherter Beispielverläufe durch eine rechnergestützte Ähnlichkeitsanalyse selektiert bzw. durch entsprechende Algorithmen extrapoliert wurde und als Regelungskennlinie zur Ansteuerung verwendet werden kann.With each increase in the junction temperature by 1 °, the forward voltage drop across a GaN LED common to lighting increases by about 3.3 millivolts in the range of about 2.2 to about 4.4 volts. Since these values and in particular the lower starting point of the threshold voltage vary with a certain specimen scattering temperature, a measurement of the junction temperature as an indicator of the efficiency and life-reducing current density in the LED chip is applicable only if the temperature characteristic of the forward voltage drop was previously determined individually. Since this characteristic with a certain exemplary offset always follows the same semiconductor physical laws in its curve, can be closed by a few optimally distributed voltage measurements with current staggered as short test current pulses in a previous measurement and consideration of the ambient temperature on the other current-dependent course, previously from a family of curves empirically determined and stored in a table example profiles was selected by a computer-aided similarity analysis or was extrapolated by appropriate algorithms and can be used as a control curve for control.

Claims

A method for efficiency and living-optimized control of LED lamps, characterized in that the injected current or a corresponding applied voltage depending on the measured by minimally stressing periodic test pulses based on the temperature-dependent forward voltage drop in the junction temperature monitored, limited and regulated.

A method according to claim 1, characterized in that before driving the temperature / forward voltage drop characteristic of the individual LED lamp determined by a plurality of minimally stressing test pulses with staggered current and computer-aided similarity analysis based on an empirically determined and tabular stored, exemplary varied characteristic family or by appropriate Algorithms is extrapolated as used control characteristic.

A method according to claim 2, characterized in that the ambient temperature is determined by a separate temperature sensor and taken into account as a temperature-dependent initial offset in the subsequent extrapolation of the control characteristic at the beginning of the current strength staggered test pulse voltage measurements.

Method according to the preceding claims, characterized in that the LED lamp driver is provided with the respective LED lamp as a unit with the customized control characteristic in pre-set form without the need for a characteristic adjustment before each startup.

Method according to the preceding claims, characterized in that the method of power control of the LED lamp in dependence on the monitored junction temperature not only on individual LEDs but also connected in parallel and / or series but selected to the same parameters or by integration in a monolithic array in the individual parameters with each other aligned light-emitting diodes is applied.