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热敏电阻系列---有效防止高温失灵:PTC热敏电阻用作LED限流器
( 发布时间:2016-12-24   访问次数:3517 )

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L ED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。

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    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。


(本文来自电子工程世界)

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