有效防止高溫失靈―PTC熱敏電阻用作LED限流器

近年來(lái)，發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱LED)的發(fā)展已取得巨大進(jìn)步：已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達(dá)100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本將降至與傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(簡(jiǎn)稱CCFL)類似的水平。這使得人們對(duì)LED的下述應(yīng)用興趣日濃： 汽車照明燈、建筑物內(nèi)外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機(jī)LCD屏的背光。

大功率LED技術(shù)的發(fā)展提高了設(shè)計(jì)階段對(duì)散熱的要求。就像所有其它半導(dǎo)體一樣，LED不能過(guò)熱，以免加速輸出的減弱，或者導(dǎo)致最壞狀況：完全失效。與白熾燈相比，雖然大功率LED具有更高效率，但是輸入功率中相當(dāng)大的一部分仍變成熱能而非光能。因而，可靠的運(yùn)作就需要良好的散熱，并要求在設(shè)計(jì)階段就考慮高溫環(huán)境。

設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路尺寸時(shí)，也必須考慮溫度因素：必須選擇其正向電流，以確保即使環(huán)境溫度達(dá)到最高值，LED芯片也不會(huì)過(guò)熱。隨著溫度的升高，就需要通過(guò)降低最高容許電流，即降低額定值，來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫。LED制造商把降額曲線納入其產(chǎn)品規(guī)格中。

利用無(wú)溫度依賴性的電源運(yùn)行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內(nèi)，LED則超出規(guī)格范圍運(yùn)行。此外，當(dāng)處于低溫區(qū)域時(shí)，照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡(jiǎn)稱PTC熱敏電阻)來(lái)控制LED電流是一個(gè)重大改進(jìn)。這至少可以帶來(lái)下列好處：

*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出

*因?yàn)榭梢詼p少LED使用量，所以可以使用價(jià)格較低的驅(qū)動(dòng)集成電路(簡(jiǎn)稱IC)乃至一個(gè)不帶溫度管理的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)節(jié)約成本

*實(shí)現(xiàn)無(wú)需IC控制的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，此電路亦可使LED電流隨溫度改變

*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED

*過(guò)熱保護(hù)功能提高了可靠性

*帶散熱片的熱機(jī)械設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單

大多數(shù)LED用驅(qū)動(dòng)電路形式具有一個(gè)共同點(diǎn)：即流經(jīng)LED的正向電流是通過(guò)固定電阻進(jìn)行設(shè)置(參見圖2)。一般說(shuō)來(lái)，流經(jīng)LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。

將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來(lái)改善標(biāo)準(zhǔn)電路。

示例1：有反饋回路的恒流源

其恒流源包括一條反饋回路。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻兩端的反饋電壓達(dá)到因IC而異的VFB時(shí)，LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。

上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過(guò)正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及Rparallel，此電路與專用驅(qū)動(dòng)IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經(jīng)由下列方程式計(jì)算得出：

電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對(duì)最高運(yùn)行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達(dá)40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調(diào)節(jié)電阻并未與LED串聯(lián)。Rset和ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此，運(yùn)用20kW的串聯(lián)電阻和英飛凌科技所產(chǎn)的TLE4241G型驅(qū)動(dòng)IC，最終產(chǎn)生的LED電流為30mA。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)電路改良型，其中也含有一個(gè)PTC熱敏電阻，盡管此處采用的B59601A系列PTC熱敏電阻(型號(hào)0603)的電阻為R25=470W。在感測(cè)溫度(可設(shè)定為以10度遞增)，元件電阻可達(dá)4.7kW，且容許誤差值為±5℃(標(biāo)準(zhǔn)系列)或±3℃(容許誤差值精確系列)。

隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小，在低溫時(shí)支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測(cè)溫度大約15 K時(shí)，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會(huì)開始下降。在感測(cè)溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)時(shí)的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時(shí)急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過(guò)高出現(xiàn)故障。

LED也可在無(wú)驅(qū)動(dòng)IC的情況下工作。圖示電路是通過(guò)車用電池驅(qū)動(dòng)單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab，以避免電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)。LED在Vstab處運(yùn)作，電流則通過(guò)與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過(guò)下一則等式可算出獨(dú)立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個(gè)LED的正向電壓：

另一做法是將B59940C0080A070型號(hào)的徑向引線式PTC熱敏電阻(R25=2.3W)以及兩個(gè)固定電阻相組合后，替代上述固定電阻， 由于LED電流的絕大部分流經(jīng)PTC熱敏電阻本身，因此需要選擇一個(gè)較大的徑向引線式元件。體積小許多的片式PTC將因?yàn)榱鹘?jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱，因此會(huì)一直減少電流，無(wú)論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個(gè)或更多片式PTC熱敏電阻會(huì)將電流分流，但此方案仍存在局限性。

電流值主要是通過(guò)適當(dāng)選擇兩個(gè)固定電阻來(lái)設(shè)置的。這兩個(gè)電阻也在改進(jìn)電路方面也起到重要作用，因?yàn)樗鼈儗a(chǎn)生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內(nèi)尤其重要，因?yàn)榇藭r(shí)PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個(gè)并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會(huì)在極端高溫情況下徹底關(guān)閉LED，因此，電流不會(huì)降至低于下列等式計(jì)算的所得值：

這項(xiàng)性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要，因?yàn)榘踩蟛辉试S照明燈徹底關(guān)閉。

背景資料：LED的溫度依賴性

像所有半導(dǎo)體一樣，LED的最高容許結(jié)點(diǎn)溫度不能超過(guò)，以免導(dǎo)致過(guò)早老化或者完全失效。如果結(jié)點(diǎn)溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時(shí)，最高容許正向電流則必須下降。不過(guò)，如果運(yùn)用散熱器，在特定的外界溫度時(shí)正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點(diǎn)溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED，白色LED則與溫度關(guān)系較小。光照效率和正向電流保持同步增長(zhǎng)，不過(guò)，安裝在結(jié)層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉(zhuǎn)這種作用，這是因?yàn)殡S著結(jié)點(diǎn)溫度的上升，發(fā)射光會(huì)降低。

此外，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長(zhǎng)時(shí)，發(fā)射光的主波長(zhǎng)會(huì)以+0.1 nm / K的典型速率增長(zhǎng)。