用于LED電流控制的PTC熱敏電阻
 

       大功率LED技術的進步也使得設計階段的散熱考慮變得越來越重要。為了避免LED的加速老化，或者最壞情況的完全報廢，LED本身不能過熱。


       一旦大功率LED的發熱效率高于發光效率，輸入功率產生熱而不發光的比例就非常高。所以，在設計階段就必須考慮采用良好的散熱來保證LED工作可靠，并且允許它在更高的環境溫度下也能夠工作。而在選擇LED驅動電路時，則必須考慮器件的散熱。


       確保LED芯片不致過熱的一個重要指標就是正向電流。在實際使用中，經常將工作電流設置在一個很低的水平，以確保即使在很高的環境溫度下LED也不至于過熱。然而，如果LED的工作電流與溫度不相關，就會帶來一個很大的問題：當溫度過高時，LED的工作條件就超出了其規范的要求。此外，在很低的溫度下，供給LED的電流會極大地低于最大允許電流。

LED驅動電路中的熱敏電阻


       因此，人們希望控制LED的驅動電流并使之成為溫度的函數，這樣可以降低LED額定工作條件。某些價格昂貴的LED驅動IC可以實現這種功能，它采用內部或外部的溫度傳感器來感知溫度并進行反饋控制。而我們則希望通過在LED驅動電路中采用PTC熱敏電阻來提供一種簡單的方法。它具有如下優點。


● 在室溫的情況下，正向電流是增加的。
● 由于減少了LED的數量，所以成本可以降低。此外，可以采用價格低廉的驅動IC，或者甚至也可以采用不具有集成溫度管理功能的驅動電路。
● 可以設計一個不需要IC控制，但仍能夠根據環境溫度調整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。
● 如果增加過熱保護功能，LED的可靠性會得到提高。
● 在散熱方面也可以采用散熱器（片）等方法。


第一種拓撲結構


       在比較常用的驅動電路中，固定電流源一般包含有反饋環路。LED的電流只有當接在IC反饋引腳的電阻RSET上的電壓達到IC設定的反饋電壓VFB時才會改變。LED的電流通常由公式ILED=VBF/RSET決定。


       這種電路經過修改就可以實現LED的驅動電流和溫度相關，只需在LED的電流通路中串接PTC熱敏電阻，如圖1所示。通過選擇合適的PTC熱敏電阻、Rseries和Rparallel，該電路可以使驅動IC和LED工作在額定條件下。LED的電流可以通過如下公式計算：ILED(T)=(VFB/Rparallel)(1+(Rparallel+Rseries)/RPTC(T))。


       圖1所示的電路解釋了LED電流與溫度相關的關系。對比一個最大工作溫度為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，LED的電流可以增加40%，并且LED的亮度也會增加大約相同的比例。

圖1  第一種拓補結構及LED的電流/溫度曲線

第二種拓撲結構


       在另外一種常用的固定電流源中，電流由連接到驅動IC的電阻控制。然而，在這種情況下，設置電阻并沒有串接在LED通路中。IC的參數指標規范中規定了RSET和ILED的比率。因此，Infineon公司的TLE4241G驅動IC采用20kΩ的串接電阻，就可以得到30mA的LED電流。對標準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4.7kΩ，而誤差容限為±5℃（標準系列）或±3℃（精密系列）。


       圖2解釋了LED電流是溫度函數的結果，而且電路的結構也比圖1中的簡單。在環境溫度比較低時，高精度的固定電阻Rseries的值就代表了總電阻。
       只有從低于PCT熱敏電阻的感應溫度15K時電流才開始下降，這是由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加。在感應到溫度時（總的電阻Rtotal =Rseries+RPTC =19.5kΩ+4.7kΩ=24.2kΩ），電流大約是23mA。在高溫時，PTC的電阻會急劇地上升，以使驅動電流關斷，避免過熱燒毀器件。

圖2  第二種拓補結構及LED的電流/溫度曲線

無驅動IC的控制電路


       LED的驅動電路也可以不用IC控制。這在汽車高位剎車燈電路中的應用是非常普遍的，它們一般用來驅動單只200mA工作電流的LED。為了避免供電電壓的波動，電壓穩壓器產生穩定的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算。
       ILED(T)=(Vstab-Vdiode(T))/(Rseries+RPTC(T)Rparallel/(RPTC(T)+Rparallel))

圖3  無驅動IC的控制電路結構及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PTC熱敏電阻。因此，PTC熱敏電阻應該選擇徑向引腳封裝中體積較大的。體積較小的貼片式PTC熱敏電阻由于流過的電流會使自身發熱，會因此使流過的電流降低與環境溫度無關。如果并聯兩個或更多的PTC電阻就可以使流過每個電阻的電流減小，但這種方法卻使成本提高。


       通過選擇合適的兩個固定電阻，電流基本上可以被設定在需要的數值上。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關閉。因此電流不會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閉的。