用于LED电流控制的PTC热敏电阻(图)

用于LED电流控制的PTC热敏电阻
 

       大功率LED技术的进步也使得设计阶段的散热考虑变得越来越重要。为了避免LED的加速老化，或者最坏情况的完全报废，LED本身不能过热。


       一旦大功率LED的发热效率高于发光效率，输入功率产生热而不发光的比例就非常高。所以，在设计阶段就必须考虑采用良好的散热来保证LED工作可靠，并且允许它在更高的环境温度下也能够工作。而在选择LED驱动电路时，则必须考虑器件的散热。


       确保LED芯片不致过热的一个重要指标就是正向电流。在实际使用中，经常将工作电流设置在一个很低的水平，以确保即使在很高的环境温度下LED也不至于过热。然而，如果LED的工作电流与温度不相关，就会带来一个很大的问题：当温度过高时，LED的工作条件就超出了其规范的要求。此外，在很低的温度下，供给LED的电流会极大地低于最大允许电流。

LED驱动电路中的热敏电阻


       因此，人们希望控制LED的驱动电流并使之成为温度的函数，这样可以降低LED额定工作条件。某些价格昂贵的LED驱动IC可以实现这种功能，它采用内部或外部的温度传感器来感知温度并进行反馈控制。而我们则希望通过在LED驱动电路中采用PTC热敏电阻来提供一种简单的方法。它具有如下优点。


● 在室温的情况下，正向电流是增加的。
● 由于减少了LED的数量，所以成本可以降低。此外，可以采用价格低廉的驱动IC，或者甚至也可以采用不具有集成温度管理功能的驱动电路。
● 可以设计一个不需要IC控制，但仍能够根据环境温度调整LED工作电流的电路。
● 也可以采用低成本的LED，只是需要降低额定工作条件和提供更小的安全裕量。
● 如果增加过热保护功能，LED的可靠性会得到提高。
● 在散热方面也可以采用散热器（片）等方法。


第一种拓扑结构


       在比较常用的驱动电路中，固定电流源一般包含有反馈环路。LED的电流只有当接在IC反馈引脚的电阻RSET上的电压达到IC设定的反馈电压VFB时才会改变。LED的电流通常由公式ILED=VBF/RSET决定。


       这种电路经过修改就可以实现LED的驱动电流和温度相关，只需在LED的电流通路中串接PTC热敏电阻，如图1所示。通过选择合适的PTC热敏电阻、Rseries和Rparallel，该电路可以使驱动IC和LED工作在额定条件下。LED的电流可以通过如下公式计算：ILED(T)=(VFB/Rparallel)(1+(Rparallel+Rseries)/RPTC(T))。


       图1所示的电路解释了LED电流与温度相关的关系。对比一个最大工作温度为60℃的固定电流源，采用PTC热敏电阻的LED控制电路在0～40℃的温度范围内，LED的电流可以增加40%，并且LED的亮度也会增加大约相同的比例。

图1  第一种拓补结构及LED的电流/温度曲线

第二种拓扑结构


       在另外一种常用的固定电流源中，电流由连接到驱动IC的电阻控制。然而，在这种情况下，设置电阻并没有串接在LED通路中。IC的参数指标规范中规定了RSET和ILED的比率。因此，Infineon公司的TLE4241G驱动IC采用20kΩ的串接电阻，就可以得到30mA的LED电流。对标准电路稍加修改就可以使用PTC热敏电阻，如图2所示。虽然此处所用0603尺寸封装的B59601A系列PTC热敏电阻的额定零功率电阻R25=470Ω，但是温度变化（通常是10℃的增量）引起的电阻值最高可达4.7kΩ，而误差容限为±5℃（标准系列）或±3℃（精密系列）。


       图2解释了LED电流是温度函数的结果，而且电路的结构也比图1中的简单。在环境温度比较低时，高精度的固定电阻Rseries的值就代表了总电阻。
       只有从低于PCT热敏电阻的感应温度15K时电流才开始下降，这是由于PTC热敏电阻的阻值开始增加。在感应到温度时（总的电阻Rtotal =Rseries+RPTC =19.5kΩ+4.7kΩ=24.2kΩ），电流大约是23mA。在高温时，PTC的电阻会急剧地上升，以使驱动电流关断，避免过热烧毁器件。

图2  第二种拓补结构及LED的电流/温度曲线

无驱动IC的控制电路


       LED的驱动电路也可以不用IC控制。这在汽车高位刹车灯电路中的应用是非常普遍的，它们一般用来驱动单只200mA工作电流的LED。为了避免供电电压的波动，电压稳压器产生稳定的5V供电电压。LED工作在Vstab下，并且工作电流由串接在LED回路中的电阻Rout决定。在这种类型的电路中，与温度变化不相关的正向电流可以由公式ILED(T)=(Vstab-Vdiode(T))/Rout算出，其中，Vdiode是单只LED的正向压降。


       此外，固定电阻可以被径向引脚PTC热敏电阻B59940C0080A070（R25=2.3Ω）和两个固定电阻的组合所代替，如图3所示。最终的正向电流可以由如下公式计算。
       ILED(T)=(Vstab-Vdiode(T))/(Rseries+RPTC(T)Rparallel/(RPTC(T)+Rparallel))

图3  无驱动IC的控制电路结构及LED的电流/温度曲线


       在这种情况下，LED正向电流中的绝大部分都流过PTC热敏电阻。因此，PTC热敏电阻应该选择径向引脚封装中体积较大的。体积较小的贴片式PTC热敏电阻由于流过的电流会使自身发热，会因此使流过的电流降低与环境温度无关。如果并联两个或更多的PTC电阻就可以使流过每个电阻的电流减小，但这种方法却使成本提高。


       通过选择合适的两个固定电阻，电流基本上可以被设定在需要的数值上。这些电阻也可以使LED正向电流误差降低，从而在改善电路性能方面起到了很重要的作用。


       并联固定电阻也可以确保在极端温度条件下PTC热敏电阻不至于完全使LED关闭。因此电流不会低于如下公式所决定的值：ILED min(T)=(Vstab-Vdiode(T))/(Rparallel+Rseries)。


       在汽车电子领域，这种特性是非常重要的。例如，为了满足安全要求，是不允许将灯光完全关闭的。