有效防止高溫失靈―PTC熱敏電阻用作LED限流器

近年來，發(fā)光二極管(簡稱LED)的發(fā)展已取得巨大進步：已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達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(簡稱CCFL)類似的水平。這使得人們對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LCD屏的背光。

大功率LED技術(shù)的發(fā)展提高了設(shè)計階段對散熱的要求。就像所有其它半導(dǎo)體一樣，LED不能過熱，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，可靠的運作就需要良好的散熱，并要求在設(shè)計階段就考慮高溫環(huán)境。

設(shè)計LED驅(qū)動電路尺寸時，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)境溫度達到最高值，LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高，就需要通過降低最高容許電流，即降低額定值，來實現(xiàn)降溫。LED制造商把降額曲線納入其產(chǎn)品規(guī)格中。

利用無溫度依賴性的電源運行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內(nèi)，LED則超出規(guī)格范圍運行。此外，當(dāng)處于低溫區(qū)域時，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LED驅(qū)動電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個重大改進。這至少可以帶來下列好處：

*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出

*因為可以減少LED使用量，所以可以使用價格較低的驅(qū)動集成電路(簡稱IC)乃至一個不帶溫度管理的驅(qū)動電路來節(jié)約成本

*實現(xiàn)無需IC控制的驅(qū)動電路設(shè)計，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

*過熱保護功能提高了可靠性

*帶散熱片的熱機械設(shè)計更為簡單

大多數(shù)LED用驅(qū)動電路形式具有一個共同點：即流經(jīng)LED的正向電流是通過固定電阻進行設(shè)置(參見圖2)。一般說來，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，即可實現(xiàn)對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到因IC而異的VFB時，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。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及Rparallel，此電路與專用驅(qū)動IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經(jīng)由下列方程式計算得出：

電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運行溫度為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：電流通過連接驅(qū)動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，運用20kW的串聯(lián)電阻和英飛凌科技所產(chǎn)的TLE4241G型驅(qū)動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PTC熱敏電阻，盡管此處采用的B59601A系列PTC熱敏電阻(型號0603)的電阻為R25=470W。在感測溫度(可設(shè)定為以10度遞增)，元件電阻可達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，在低溫時支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會開始下降。在感測溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)時的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過高出現(xiàn)故障。

LED也可在無驅(qū)動IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅(qū)動單一200mA 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。LED在Vstab處運作，電流則通過與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過下一則等式可算出獨立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個LED的正向電壓：

另一做法是將B59940C0080A070型號的徑向引線式PTC熱敏電阻(R25=2.3W)以及兩個固定電阻相組合后，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，因此需要選擇一個較大的徑向引線式元件。體積小許多的片式PTC將因為流經(jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱，因此會一直減少電流，無論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個或更多片式PTC熱敏電阻會將電流分流，但此方案仍存在局限性。

電流值主要是通過適當(dāng)選擇兩個固定電阻來設(shè)置的。這兩個電阻也在改進電路方面也起到重要作用，因為它們將產(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，因為此時PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會在極端高溫情況下徹底關(guān)閉LED，因此，電流不會降至低于下列等式計算的所得值：

這項性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要，因為安全要求不允許照明燈徹底關(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)點溫度不能超過，以免導(dǎo)致過早老化或者完全失效。如果結(jié)點溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時，最高容許正向電流則必須下降。不過，如果運用散熱器，在特定的外界溫度時正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點溫度的升高而下降。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，不過，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，這是因為隨著結(jié)點溫度的上升，發(fā)射光會降低。

此外，當(dāng)結(jié)點溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時，發(fā)射光的主波長會以+0.1 nm / K的典型速率增長。