LED過溫度保護線路

(圖一)為電流控制IC，MBI1801，搭配LED過溫度保護線路。圖中的負溫度係數熱敏電阻（NTC Thermistor）可接在LED板上以感測LED的溫度。當LED的溫度升高時，熱敏電阻的阻值會隨之降低，此時V2電壓也會隨之升高。當V2電壓超過V1的電壓值時，LED的電流會開始下降直到溫度平衡，反之亦然。

《圖一　MBI1801搭配LED過溫度保護線路》

電路設計流程

LED過溫度保護電路的設計流程如下所示：

定義負溫度係數熱敏電阻阻值對溫度的變化曲線

負溫度係數熱敏電阻是本應用線路中最重要的元件，本文即是利用其阻值對溫度的變化曲線來設計的。因此定義出其阻值對溫度的變化曲線是首要的。

決定R2和R3

MBI1801需要一個電阻（Rext）以決定LED的預設電流，將其阻值拆成兩個電阻，R2和R3，便可以得到過溫度保護線路中的V1電壓值。

決定R4

當V1電壓決定了以後即代表該保護線路的啟動電壓也隨之決定了。設定V2電壓等於V1，並找出熱敏電阻在過溫度保護點的阻值後，R4的阻值便可由下列公式得到：

《公式一》

其中RNTC,tp為熱敏電阻在過溫度保護點的阻值。為了簡化計算，在本式中筆者省略了二極體D2的順向電壓。

選擇二極體D2

二極體D2的目的在於確保當V2電壓小於V1時，V1電壓值不會被V2所影響。但如果D2的順向電壓太高的話又會產生額外的誤差，因此建議使用低順向壓降的蕭特基二極體。

降低的LED電流

當V2電壓高於V1時，V1電壓會被拉高並降低LED的電流直到溫度平衡。此時的LED電流可由下式計算得到

《公式二》

《公式三》

其中VF,D2為D2的順向電壓，ILED為LED電流，VR-EXT為MBI1801 R-EXT pin的電壓。以下為參考本文所提出的設計流程而舉的例子

實例

假設有一高亮度的LED模組，其輸入電壓為13.5V，LED電流為1.2A，採取四串四並的連接方式。每一顆LED的順向電壓範圍為3.0V～3.2V。在沒有過溫度保護線路之下，其LED板的溫度下(表一)所示。

從表一可以看到，在未加過溫度保護線路時，LED板的溫度在一小時後會上升至104.4℃，這個溫度可能會對LED產生損傷。以下為過溫度保護線路元件的設計流程，以及加裝該線路後LED板的溫度變化情形。

定義負溫度係數熱敏電阻阻值對溫度的變化曲線

100kΩ負溫度係數熱敏電阻的阻值對溫度變化曲線如(圖二)所示：

《圖二　負溫度係數電阻阻值對溫度的變化曲線》

決定R2和R3

由於LED電流為1.2A，因此MBI1801所要使用的電阻(Rext)為

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

在此選擇Rext=1kΩ。在來將Rext分為兩個電阻值，在本例中筆者選擇R2=180Ω and R3=820Ω，由此算出V1=1.025V。

決定R4

在決定R4之前，要先決定過溫度保護點。在本例中設定過溫度保護點為85℃，也就是當LED板的溫度超過85℃時，LED電流會開始下降。從圖二中可以找出當溫度為85℃時，熱敏電阻的阻值為7.92kΩ。設定V2的電壓等於V1，因此R4可以計算得到

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

在此選擇R4等於2kΩ。

選擇二極體 D2

本應用線路建議使用低順向電壓的蕭特基二極體，在此選擇順向電壓為0.5V的SCD32。

測試結果

(圖三)為MBI1801搭配LED過溫度保護線路的完整電路，其LED板對溫度和LED電流的變化情形如圖二所示。

《圖三　MBI1801搭配LED過溫度保護的完整電路》

結論

從(表二)中可以看到，在過溫度保護點（85℃）之前，LED電流維持一定。當LED板的溫度超過85℃後電流開始下降，和表一的測試情形比較，其溫度的上升情形也比較緩慢。20分鐘過後，LED板到達溫度平衡幾乎不再上升。由此可知，過溫度保護線路的確能對LED板做有效的溫度保護。要注意的是，過溫度保護線路的保護點不能設在正常工作時的溫度點以內，否則保護線路會提早啟動並影響LED的亮度。筆者建議將保護點設在比正常工作溫度高10℃，以避免誤動作發生。