編者按：在使用高亮度LED做光源時(shí),最困擾使用者的便是其所產(chǎn)生的熱。當(dāng)此類LED在應(yīng)用時(shí)雖可發(fā)出足夠的光,有效減少LED的使用數(shù)目,但其所產(chǎn)生的另一個(gè)副產(chǎn)品即是熱。在正常的使用條件下,多少LED電流會(huì)對(duì)LED產(chǎn)生多高的溫度是可預(yù)期的。但當(dāng)故障發(fā)生時(shí),過(guò)高的溫度會(huì)使LED的亮度產(chǎn)生衰減甚至對(duì)會(huì)損壞LED,因此LED的過(guò)溫度保護(hù)線路是必要的。
本文提供一LED過(guò)溫度保護(hù)線路以保護(hù)LED因故障產(chǎn)生過(guò)熱的情形而損壞LED。本文同時(shí)提供一設(shè)計(jì)流程供使用者參考。
LED過(guò)溫度保護(hù)線路
圖1為聚積科技出產(chǎn)的定電流控制IC,MBI1801,搭配LED過(guò)溫度保護(hù)線路。圖中的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC Thermistor)可接在LED板上以感測(cè)LED的溫度。當(dāng)LED的溫度升高時(shí),熱敏電阻的阻值會(huì)隨之降低,此時(shí)V2電壓也會(huì)隨之升高。當(dāng)V2電壓超過(guò)V1的電壓值時(shí),LED的電流會(huì)開(kāi)始下降直到溫度平衡,反之亦然。
電路設(shè)計(jì)流程
LED過(guò)溫度保護(hù)電路的設(shè)計(jì)流程如下所示
1. 定義負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值對(duì)溫度的變化曲線 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是本應(yīng)用線路中最重要的組件,本文即是利用其阻值對(duì)溫度的變化曲線來(lái)設(shè)計(jì)的。因此定義出其阻值對(duì)溫度的變化曲線是首要的。
2. 決定R2和R3
MBI1801需要一個(gè)電阻(Rext)以決定LED的預(yù)設(shè)電流,將其阻值拆成兩個(gè)電阻,R2和R3,便可以得到過(guò)溫度保護(hù)線路中的V1電壓值。
3. 決定R4
當(dāng)V1電壓決定了以后即代表該保護(hù)線路的啟動(dòng)電壓也隨之決定了。設(shè)定V2電壓等于V1,并找出熱敏電阻在過(guò)溫度保護(hù)點(diǎn)的阻值后,R4的阻值便可由下式得到 R4 = RNTC,tp / [(VDD / V2) – 1] (1)其中RNTC,tp為熱敏電阻在過(guò)溫度保護(hù)點(diǎn)的阻值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,在本式中筆者省略了二極管D2的順向電壓。
4. 選擇二極管D2
二極管D2的目的在于確保當(dāng)V2電壓小于V1時(shí),V1電壓值不會(huì)被V2所影響。但如果D2的順向電壓太高的話又會(huì)產(chǎn)生額外的誤差,因此筆者建議使用低順向壓降的蕭特基二極管。
5. 降低的LED電流
當(dāng)V2電壓高于V1時(shí),V1電壓會(huì)被拉高并降低LED的電流直到溫度平衡。此時(shí)的LED電流可由下式計(jì)算得到
V1 = V2 – VF,D2. (2)
ILED = [(VR-EXT – V1) / R2] x 945 (3)
其中VF,D2為D2的順向電壓,ILED為L(zhǎng)ED電流,VR-EXT為MBI1801 R-EXT pin的電壓。
以下為參考本文所提出的設(shè)計(jì)流程而舉的例子
Example:
假設(shè)有一高亮度的LED模塊,其輸入電壓為13.5V,LED電流為1.2A,采取4串4并的連接方式。每一顆LED的順向電壓范圍為3.0V~3.2V。在沒(méi)有過(guò)溫度保護(hù)線路之下,其LED板的溫度下表1所示。
從表1可以看到,在未加過(guò)溫度保護(hù)線路時(shí),LED板的溫度在一小時(shí)后會(huì)上升至104.4℃,這個(gè)溫度可能會(huì)對(duì)LED產(chǎn)生損傷。以下為過(guò)溫度保護(hù)線路組件的設(shè)計(jì)流程,以及加裝該線路后LED板的溫度變化情形。
1. 定義負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值對(duì)溫度的變化曲線
100kΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值對(duì)溫度變化曲線如圖2所示
2. 決定R2和R3
由于LED電流為1.2A,因此MBI1801所要使用的電阻(Rext)為
Rext = (VR-EXT / ILED) x 945 = (1.251V / 1.2A) x 945 = 0.985Ω
在此選擇Rext=1kΩ。在來(lái)將Rext分為兩個(gè)電阻值,在本例中筆者選擇R2=180Ω and R3=820Ω,由此算出V1=1.025V。
3. 決定R4
在決定R4之前,要先決定過(guò)溫度保護(hù)點(diǎn)。在本例中筆者設(shè)定過(guò)溫度保護(hù)點(diǎn)為85℃,也就是當(dāng)LED板的溫度超過(guò)85℃時(shí),LED電流會(huì)開(kāi)始下降。從圖2中可以找出當(dāng)溫度為85℃時(shí),熱敏電阻的阻值為7.92kΩ。設(shè)定V2的電壓等于V1,因此R4可以由式(1)計(jì)算得到
R4 = RNTC,tp / [(VDD / V2) – 1] = 7.92kΩ / [(5.1V / 1.025) – 1] = 1.992kΩ
在此選擇R4等于2kΩ。
4. 選擇二極管 D2
本應(yīng)用線路建議使用低順向電壓的蕭特基二極管,在此筆者選擇智威出產(chǎn)順向電壓為0.5V的SCD32。
5. 測(cè)試結(jié)果
圖3為MBI1801搭配LED過(guò)溫度保護(hù)線路的完整電路,其LED板對(duì)溫度和LED電流的變化情形如圖2所示。
結(jié)論
從表2中可以看到,在過(guò)溫度保護(hù)點(diǎn)(85℃)之前,LED電流維持一定。當(dāng)LED板的溫度超過(guò)85℃后電流開(kāi)始下降,和表1的測(cè)試情形比較,其溫度的上升情形也比較緩慢。20分鐘過(guò)后,LED板到達(dá)溫度平衡幾乎不再上升。由此可知,過(guò)溫度保護(hù)線路的確能對(duì)LED板做有效的溫度保護(hù)。
要注意的是,過(guò)溫度保護(hù)線路的保護(hù)點(diǎn)不能設(shè)在正常工作時(shí)的溫度點(diǎn)以內(nèi),否則保護(hù)線路會(huì)提早啟動(dòng)并影響LED的亮度。筆者建議將保護(hù)點(diǎn)設(shè)在比正常工作溫度高10℃,以避免誤動(dòng)作發(fā)生。
