有效防止高温失灵—PTC热敏电阻用作LED限流器

　　近年来，发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。

　　大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。

　　设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。

图1 LED降频曲线

　　利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：

　　*在室温下增加正向电流，从而增加光输出

　　*因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称IC)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本

　　*实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变

　　*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED

　　*过热保护功能提高了可靠性

　　*带散热片的热机械设计更为简单

　　大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来，流经LED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。

　　将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。

　　示例1：有反馈回路的恒流源

　　图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。

图2 LED的传统驱动方式

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　　图3所示为上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：

　　图3所示电路阐明了LED电流(参见图3)的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频

　　示例2：调节电阻与LED无串联的恒流源

　　图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。因此，运用20kW的串联电阻和英飞凌科技所产的TLE4241G型驱动IC，最终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用的B59601A系列PTC热敏电阻(型号0603)的电阻为R25=470W。在感测温度(可设定为以10度递增)，元件电阻可达4.7kW，且容许误差值为