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，或者导致坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率led具有更率，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，可靠的运作就需要合格的散热，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很高值，led芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要降低很高容许电流，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。

 

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很大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，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

 

　　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。

 

　　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。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：

 

　　电路阐明了led电流(参见图3)的温度依赖性。与针对很高运行温度为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。

 

　　电路2为另一常见的恒流源电路：电流连接驱动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，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℃(容许误差值准确系列)。

 

　　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。

 

　　led也可在无驱动ic的情况下工作。图示电路是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，电流则与led串联的电阻元件rout决定。在这类电路中，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， 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。

 

　　电流值主要是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的很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，很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。

 

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