用于LED電流控制的PTC熱敏電阻
 

       大功率LED技術(shù)的進(jìn)步也使得設(shè)計(jì)階段的散熱考慮變得越來(lái)越重要。為了避免LED的加速老化，或者最壞情況的完全報(bào)廢，LED本身不能過(guò)熱。


       一旦大功率LED的發(fā)熱效率高于發(fā)光效率，輸入功率產(chǎn)生熱而不發(fā)光的比例就非常高。所以，在設(shè)計(jì)階段就必須考慮采用良好的散熱來(lái)保證LED工作可靠，并且允許它在更高的環(huán)境溫度下也能夠工作。而在選擇LED驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，則必須考慮器件的散熱。


       確保LED芯片不致過(guò)熱的一個(gè)重要指標(biāo)就是正向電流。在實(shí)際使用中，經(jīng)常將工作電流設(shè)置在一個(gè)很低的水平，以確保即使在很高的環(huán)境溫度下LED也不至于過(guò)熱。然而，如果LED的工作電流與溫度不相關(guān)，就會(huì)帶來(lái)一個(gè)很大的問(wèn)題：當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，LED的工作條件就超出了其規(guī)范的要求。此外，在很低的溫度下，供給LED的電流會(huì)極大地低于最大允許電流。

LED驅(qū)動(dòng)電路中的熱敏電阻


       因此，人們希望控制LED的驅(qū)動(dòng)電流并使之成為溫度的函數(shù)，這樣可以降低LED額定工作條件。某些價(jià)格昂貴的LED驅(qū)動(dòng)IC可以實(shí)現(xiàn)這種功能，它采用內(nèi)部或外部的溫度傳感器來(lái)感知溫度并進(jìn)行反饋控制。而我們則希望通過(guò)在LED驅(qū)動(dòng)電路中采用PTC熱敏電阻來(lái)提供一種簡(jiǎn)單的方法。它具有如下優(yōu)點(diǎn)。


● 在室溫的情況下，正向電流是增加的。
● 由于減少了LED的數(shù)量，所以成本可以降低。此外，可以采用價(jià)格低廉的驅(qū)動(dòng)IC，或者甚至也可以采用不具有集成溫度管理功能的驅(qū)動(dòng)電路。
● 可以設(shè)計(jì)一個(gè)不需要IC控制，但仍能夠根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整LED工作電流的電路。
● 也可以采用低成本的LED，只是需要降低額定工作條件和提供更小的安全裕量。
● 如果增加過(guò)熱保護(hù)功能，LED的可靠性會(huì)得到提高。
● 在散熱方面也可以采用散熱器（片）等方法。


第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


       在比較常用的驅(qū)動(dòng)電路中，固定電流源一般包含有反饋環(huán)路。LED的電流只有當(dāng)接在IC反饋引腳的電阻RSET上的電壓達(dá)到IC設(shè)定的反饋電壓VFB時(shí)才會(huì)改變。LED的電流通常由公式ILED=VBF/RSET決定。


       這種電路經(jīng)過(guò)修改就可以實(shí)現(xiàn)LED的驅(qū)動(dòng)電流和溫度相關(guān)，只需在LED的電流通路中串接PTC熱敏電阻，如圖1所示。通過(guò)選擇合適的PTC熱敏電阻、Rseries和Rparallel，該電路可以使驅(qū)動(dòng)IC和LED工作在額定條件下。LED的電流可以通過(guò)如下公式計(jì)算：ILED(T)=(VFB/Rparallel)(1+(Rparallel+Rseries)/RPTC(T))。


       圖1所示的電路解釋了LED電流與溫度相關(guān)的關(guān)系。對(duì)比一個(gè)最大工作溫度為60℃的固定電流源，采用PTC熱敏電阻的LED控制電路在0～40℃的溫度范圍內(nèi)，LED的電流可以增加40%，并且LED的亮度也會(huì)增加大約相同的比例。

圖1  第一種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)及LED的電流/溫度曲線

第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


       在另外一種常用的固定電流源中，電流由連接到驅(qū)動(dòng)IC的電阻控制。然而，在這種情況下，設(shè)置電阻并沒(méi)有串接在LED通路中。IC的參數(shù)指標(biāo)規(guī)范中規(guī)定了RSET和ILED的比率。因此，Infineon公司的TLE4241G驅(qū)動(dòng)IC采用20kΩ的串接電阻，就可以得到30mA的LED電流。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路稍加修改就可以使用PTC熱敏電阻，如圖2所示。雖然此處所用0603尺寸封裝的B59601A系列PTC熱敏電阻的額定零功率電阻R25=470Ω，但是溫度變化（通常是10℃的增量）引起的電阻值最高可達(dá)4.7kΩ，而誤差容限為±5℃（標(biāo)準(zhǔn)系列）或±3℃（精密系列）。


       圖2解釋了LED電流是溫度函數(shù)的結(jié)果，而且電路的結(jié)構(gòu)也比圖1中的簡(jiǎn)單。在環(huán)境溫度比較低時(shí)，高精度的固定電阻Rseries的值就代表了總電阻。
       只有從低于PCT熱敏電阻的感應(yīng)溫度15K時(shí)電流才開(kāi)始下降，這是由于PTC熱敏電阻的阻值開(kāi)始增加。在感應(yīng)到溫度時(shí)（總的電阻Rtotal =Rseries+RPTC =19.5kΩ+4.7kΩ=24.2kΩ），電流大約是23mA。在高溫時(shí)，PTC的電阻會(huì)急劇地上升，以使驅(qū)動(dòng)電流關(guān)斷，避免過(guò)熱燒毀器件。

圖2  第二種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)及LED的電流/溫度曲線

無(wú)驅(qū)動(dòng)IC的控制電路


       LED的驅(qū)動(dòng)電路也可以不用IC控制。這在汽車高位剎車燈電路中的應(yīng)用是非常普遍的，它們一般用來(lái)驅(qū)動(dòng)單只200mA工作電流的LED。為了避免供電電壓的波動(dòng)，電壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定的5V供電電壓。LED工作在Vstab下，并且工作電流由串接在LED回路中的電阻Rout決定。在這種類型的電路中，與溫度變化不相關(guān)的正向電流可以由公式ILED(T)=(Vstab-Vdiode(T))/Rout算出，其中，Vdiode是單只LED的正向壓降。


       此外，固定電阻可以被徑向引腳PTC熱敏電阻B59940C0080A070（R25=2.3Ω）和兩個(gè)固定電阻的組合所代替，如圖3所示。最終的正向電流可以由如下公式計(jì)算。
       ILED(T)=(Vstab-Vdiode(T))/(Rseries+RPTC(T)Rparallel/(RPTC(T)+Rparallel))

圖3  無(wú)驅(qū)動(dòng)IC的控制電路結(jié)構(gòu)及LED的電流/溫度曲線


       在這種情況下，LED正向電流中的絕大部分都流過(guò)PTC熱敏電阻。因此，PTC熱敏電阻應(yīng)該選擇徑向引腳封裝中體積較大的。體積較小的貼片式PTC熱敏電阻由于流過(guò)的電流會(huì)使自身發(fā)熱，會(huì)因此使流過(guò)的電流降低與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。如果并聯(lián)兩個(gè)或更多的PTC電阻就可以使流過(guò)每個(gè)電阻的電流減小，但這種方法卻使成本提高。


       通過(guò)選擇合適的兩個(gè)固定電阻，電流基本上可以被設(shè)定在需要的數(shù)值上。這些電阻也可以使LED正向電流誤差降低，從而在改善電路性能方面起到了很重要的作用。


       并聯(lián)固定電阻也可以確保在極端溫度條件下PTC熱敏電阻不至于完全使LED關(guān)閉。因此電流不會(huì)低于如下公式所決定的值：ILED min(T)=(Vstab-Vdiode(T))/(Rparallel+Rseries)。


       在汽車電子領(lǐng)域，這種特性是非常重要的。例如，為了滿足安全要求，是不允許將燈光完全關(guān)閉的。