LED过温度保护线路
(图一)为电流控制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:
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电路中最重要的元件,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。
决定R2与R3
MBI1801需要一个电阻(Text)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。
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的阻值便可由下列公式得到:
其中RTNC,tp微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体D2的顺向电压。
选择二极体D2
二极体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,因此建议使用低顺向压降的萧特基二极体。
降低的LED电流
当V2电压高于V1实,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
其中VF,D2为D2的顺向电压,LED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
实例
假设有一高亮度的LED模组,其输入电压为13.5V,LED电流为1.2A,采取四串四并的连接方式。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(表一)所示。
表一 加装过温度保护线路前LED板的温度变化情形
Vin=13.5V. VDD=5.1V. R2 = 18 0 Ω . R3 = 820 Ω |
Time(min.) |
I LED (A) |
Temp. ( ℃ ) |
V REXT (V) |
V1 (V) |
0 |
1.219 |
25.1 |
1.252 |
1.025 |
5 |
1.219 |
82.4 |
1.252 |
1.024 |
10 |
1.217 |
90.3 |
1.251 |
1.023 |
20 |
1.217 |
93.4 |
1.251 |
1.023 |
30 |
1.217 |
96.6 |
1.251 |
1.023 |
40 |
1.217 |
97.1 |
1.251 |
1.023 |
50 |
1.217 |
103.1 |
1.251 |
1.022 |
60 |
1.215 |
104.4 |
1.250 |
1.022 |
从表一可以看到,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元件的设计流程,以及加装该线路后LED板的温度变化情形。
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(图二)所示:
决定R2与R3
由于LED电流为1.2M,因此MBI1801所要使用的电阻(Rext)为
Ext = (VR-EXT / ILED) x 945 = (1.251V / 1.2A) x 945 = 0.985Ω
在此选择Text=1kΩ。在来将Text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。
决定R4
在决定R4之前,要先决定过温度保护点。在本例中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。从图二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可以计算得到
R4 = RTNC,tp / [(VDD / V2)-1] = 7.92kΩ / [(5.1V / 1.025)–1] = 1.992kΩ
在此选择R4等于2kΩ。
选择二极体D2
本应用线路建议使用低顺向电压的萧特基二极体,在此选择顺向电压为0.5V的SCD32。
测试结果
(图三)为MBI1801搭配LED过温度保护电路的完整电路,其LED板对温度和LED电流的变化情形如图二所示。
《图三 MBI1801搭配LED过温度保护的完整电路》 |
|
表二 加装过温度保护线路后LED板的温度变化情形
Vin=13.5V. VDD=5.1V. R2 = 18 0 Ω . R3 = 820 Ω .R4=2K Ω . |
Time(min.) |
I LED (A) |
Temp. ( ℃ ) |
V REXT (V) |
V1 (V) |
V2(V) |
0 |
1.225 |
27.1 |
1.250 |
1.024 |
0.099 |
5 |
1.226 |
84.9 |
1.250 |
1.024 |
0.993 |
10 |
1.168 |
90.8 |
1.249 |
1.029 |
1.050 |
20 |
1.104 |
94.6 |
1.247 |
1.040 |
1.075 |
30 |
1.104 |
94.6 |
1.247 |
1.040 |
1.072 |
40 |
1.104 |
94.4 |
1.247 |
1.039 |
1.072 |
50 |
1.086 |
95.8 |
1.247 |
1.044 |
1.079 |
60 |
1.091 |
95.8 |
1.247 |
1.042 |
1.078 |
结论
从(表二)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,和表一的测试情形比较,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。