有效防止高溫失靈—PTC熱敏電阻用作LED限流器

　　近年來，發光二極管(簡稱LED)的發展已取得巨大進步：已從純粹用作指示燈發展為光輸出達100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本將降至與傳統冷陰極熒光燈(簡稱CCFL)類似的水平。這使得人們對LED的下述應用興趣日濃： 汽車照明燈、建筑物內外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機LCD屏的背光。

　　大功率LED技術的發展提高了設計階段對散熱的要求。就像所有其它半導體一樣，LED不能過熱，以免加速輸出的減弱，或者導致最壞狀況：完全失效。與白熾燈相比，雖然大功率LED具有更高效率，但是輸入功率中相當大的一部分仍變成熱能而非光能。因而，可靠的運作就需要良好的散熱，并要求在設計階段就考慮高溫環境。

　　設計LED驅動電路尺寸時，也必須考慮溫度因素：必須選擇其正向電流，以確保即使環境溫度達到最高值，LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高，就需要通過降低最高容許電流，即降低額定值，來實現降溫。LED制造商把降額曲線納入其產品規格中。有關此類曲線，參見圖1。

圖1 LED降頻曲線

　　利用無溫度依賴性的電源運行LED存在弊端：在高溫區域內，LED則超出規格范圍運行。此外，當處于低溫區域時，照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過LED驅動電路中的正溫度系數熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個重大改進。這至少可以帶來下列好處：

　　*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出

　　*因為可以減少LED使用量，所以可以使用價格較低的驅動集成電路(簡稱IC)乃至一個不帶溫度管理的驅動電路來節約成本

　　*實現無需IC控制的驅動電路設計，此電路亦可使LED電流隨溫度改變

　　*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED

　　*過熱保護功能提高了可靠性

　　*帶散熱片的熱機械設計更為簡單

　　大多數LED用驅動電路形式具有一個共同點：即流經LED的正向電流是通過固定電阻進行設置(參見圖2)。一般說來，流經LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。

　　將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實現對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標準電路。

　　示例1：有反饋回路的恒流源

　　圖2中電路1為常用的驅動電路。其恒流源包括一條反饋回路。當調節電阻兩端的反饋電壓達到因IC而異的VFB時，LED電流就不變了。LED電流因而被穩定在ILED=VFB/Rout。

圖2 LED的傳統驅動方式

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　　圖3所示為上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及Rparallel，此電路與專用驅動IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經由下列方程式計算得出：

　　圖3所示電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監測和電流降頻

　　示例2：調節電阻與LED無串聯的恒流源

　　圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過連接驅動IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調節電阻并未與LED串聯。Rset和ILED之間的比率由IC規格明確。因此，運用20kW的串聯電阻和英飛凌科技所產的TLE4241G型驅動IC，最終產生的LED電流為30mA。圖4所示為標準電路改良型，其中也含有一個PTC熱敏電阻，盡管此處采用的B59601A系列PTC熱敏電阻(型號0603)的電阻為R25=470W。在感測溫度(可設定為以10度遞增)，元件電阻可達4.7kW，且容許誤差值為