编者按：在使用高亮度LED做光源时,最困扰使用者的便是其所产生的热。当此类LED在应用时虽可发出足够的光,有效减少LED的使用数目,但其所产生的另一个副产品即是热。在正常的使用条件下,多少LED电流会对LED产生多高的温度是可预期的。但当故障发生时,过高的温度会使LED的亮度产生衰减甚至对会损坏LED,因此LED的过温度保护线路是必要的。

本文提供一LED过温度保护线路以保护LED因故障产生过热的情形而损坏LED。本文同时提供一设计流程供使用者参考。

　　LED过温度保护线路

　　图1为聚积科技出产的定电流控制IC,MBI1801,搭配LED过温度保护线路。图中的负温度系数热敏电阻(NTC Thermistor)可接在LED板上以感测LED的温度。当LED的温度升高时,热敏电阻的阻值会随之降低,此时V2电压也会随之升高。当V2电压超过V1的电压值时,LED的电流会开始下降直到温度平衡,反之亦然。

　　电路设计流程

　　LED过温度保护电路的设计流程如下所示

　　1. 定义负温度系数热敏电阻阻值对温度的变化曲线 负温度系数热敏电阻是本应用线路中最重要的组件,本文即是利用其阻值对温度的变化曲线来设计的。因此定义出其阻值对温度的变化曲线是首要的。

　　2. 决定R2和R3

　　MBI1801需要一个电阻(Rext)以决定LED的预设电流,将其阻值拆成两个电阻,R2和R3,便可以得到过温度保护线路中的V1电压值。

　　3. 决定R4

　　当V1电压决定了以后即代表该保护线路的启动电压也随之决定了。设定V2电压等于V1,并找出热敏电阻在过温度保护点的阻值后,R4的阻值便可由下式得到 R4 = RNTC,tp / [(VDD / V2) – 1]　(1)其中RNTC,tp为热敏电阻在过温度保护点的阻值。为了简化计算,在本式中笔者省略了二极管D2的顺向电压。

　　4. 选择二极管D2

　　二极管D2的目的在于确保当V2电压小于V1时,V1电压值不会被V2所影响。但如果D2的顺向电压太高的话又会产生额外的误差,因此笔者建议使用低顺向压降的萧特基二极管。

　　5. 降低的LED电流

　　当V2电压高于V1时,V1电压会被拉高并降低LED的电流直到温度平衡。此时的LED电流可由下式计算得到

　　V1 = V2 – VF,D2.　(2)

　　ILED = [(VR-EXT – V1) / R2] x 945　(3)

　　其中VF,D2为D2的顺向电压,ILED为LED电流,VR-EXT为MBI1801 R-EXT pin的电压。

　　以下为参考本文所提出的设计流程而举的例子

　　Example:

　　假设有一高亮度的LED模块,其输入电压为13.5V,LED电流为1.2A,采取4串4并的连接方式。每一颗LED的顺向电压范围为3.0V~3.2V。在没有过温度保护线路之下,其LED板的温度下表1所示。

　　从表1可以看到,在未加过温度保护线路时,LED板的温度在一小时后会上升至104.4℃,这个温度可能会对LED产生损伤。以下为过温度保护线路组件的设计流程,以及加装该线路后LED板的温度变化情形。

　　1. 定义负温度系数热敏电阻阻值对温度的变化曲线

　　100kΩ负温度系数热敏电阻的阻值对温度变化曲线如图2所示

　　2. 决定R2和R3

　　由于LED电流为1.2A,因此MBI1801所要使用的电阻(Rext)为

　　Rext = (VR-EXT / ILED) x 945 = (1.251V / 1.2A) x 945 = 0.985Ω

　　在此选择Rext=1kΩ。在来将Rext分为两个电阻值,在本例中笔者选择R2=180Ω and R3=820Ω,由此算出V1=1.025V。

　　3. 决定R4

　　在决定R4之前,要先决定过温度保护点。在本例中笔者设定过温度保护点为85℃,也就是当LED板的温度超过85℃时,LED电流会开始下降。从图2中可以找出当温度为85℃时,热敏电阻的阻值为7.92kΩ。设定V2的电压等于V1,因此R4可以由式(1)计算得到

　　R4 = RNTC,tp / [(VDD / V2) – 1] = 7.92kΩ / [(5.1V / 1.025) – 1] = 1.992kΩ

　　在此选择R4等于2kΩ。

　　4. 选择二极管 D2

　　本应用线路建议使用低顺向电压的萧特基二极管,在此笔者选择智威出产顺向电压为0.5V的SCD32。

　　5. 测试结果

　　图3为MBI1801搭配LED过温度保护线路的完整电路,其LED板对温度和LED电流的变化情形如图2所示。

　　结论

　　从表2中可以看到,在过温度保护点(85℃)之前,LED电流维持一定。当LED板的温度超过85℃后电流开始下降,和表1的测试情形比较,其温度的上升情形也比较缓慢。20分钟过后,LED板到达温度平衡几乎不再上升。由此可知,过温度保护线路的确能对LED板做有效的温度保护。

　　要注意的是,过温度保护线路的保护点不能设在正常工作时的温度点以内,否则保护线路会提早启动并影响LED的亮度。笔者建议将保护点设在比正常工作温度高10℃,以避免误动作发生。