有效防止高温失灵—PTC热敏电阻用作LED限流器

有效防止高温失灵—PTC热敏电阻用作LED限流器

近年来，发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。
　　
大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。
　　
设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。


图1 LED降频曲线
　　
利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：
　　
*在室温下增加正向电流，从而增加光输出
　　
*因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称IC)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本
　　
*实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变
　　
*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED
　　
*过热保护功能提高了可靠性
　　
*带散热片的热机械设计更为简单
　　
大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来，流经LED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。
　　
将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。
　　
示例1：有反馈回路的恒流源
　　
图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。


图2 LED的传统驱动方式
　　
图3所示为上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：
　　
图3所示电路阐明了LED电流(参见图3)的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。


图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频
　　
示例2：调节电阻与LED无串联的恒流源
　　
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。因此，运用20kW的串联电阻和英飞凌科技所产的TLE4241G型驱动IC，最终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用的B59601A系列PTC热敏电阻(型号0603)的电阻为R25=470W。在感测温度(可设定为以10度递增)，元件电阻可达4.7kW，且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值精确系列)。
　　
图4所示为随外界温度而变化的LED电流。固定电阻Rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时，由于PTC热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度(总电阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)时的电流大约为23mA。PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。


图4 无分流测量之温度记录

示例3：无IC简单驱动电路
　　
如图2所示电路3，LED也可在无驱动IC的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。稳压器生成5 V的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。LED在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：
　　
另一做法是将B59940C0080A070型号的径向引线式PTC热敏电阻(R25=2.3W)以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。可通过下一等式计算出生成的正向电流：
　　
由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。体积小许多的片式PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何(如图5所示)。并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。


图5 无需IC的温度补偿驱动电路
　　
电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：
　　
这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。
　　
背景资料：LED的温度依赖性
　　
像所有半导体一样，LED的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。LED的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。
　　
此外，当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / K的典型速率增长。

来源：中电网