基于NTC熱敏電阻的LED閃光基板的溫度檢測

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NTC熱敏電阻是一種熱阻元件，其阻值會隨溫度升高而急劇下降。利用這一特性，它除了可以被設(shè)計為溫度傳感器以外，還被用作溫度保護元件以防止電路過熱。通過將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置上，可以準(zhǔn)確檢測熱源溫度。但由于基板尺寸和PCB布線等限制，有時也需要將其安裝在遠離熱源的位置。

本期推文中，我們假設(shè)了一種LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導(dǎo)致的測量溫差的情況，并確認(rèn)了基板厚度的影響，然后對其結(jié)果進行說明。

通過將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置，可實現(xiàn)精確的熱源溫度檢測。但由于基板尺寸和PCB布線等限制，有時也需要將其安裝在遠離熱源的位置。我們使用發(fā)熱模擬軟件，假設(shè)了將LED閃爍燈基板的LED作為熱源來確認(rèn)由于LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導(dǎo)致的溫差，此外還確認(rèn)基板厚度的影響。

測試所用的基板是基于智能手機LED閃光基板的模型所設(shè)計的。各項尺寸如下：

■基板尺寸：6.5 x 5.0mm

■LED尺寸：1.0 x 1.0mm

■LED輸出：30mW x 4個

圖1：基板信息

對于LED閃爍燈基板，正面的GND布線通過Via連接到背面，其他部分使用FR4基板材料，而基板越厚使用的基材越多。基板厚度有0.4mm和1.6mm兩個等級。

圖2：模擬條件1【基板厚度】

在LED閃爍燈基板的中央?yún)^(qū)域安裝了四個1mm形狀的LED，在遠離LED的位置上配置0402mm形狀的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的安裝位置距離LED為0.25mm、1.00mm和1.75mm。

圖3：模擬條件2【NTC熱敏電阻安裝位置】

發(fā)熱模擬時的測溫點設(shè)為LED表面和NTC熱敏電阻表面四處。

圖4：測溫點

■LED表面溫度：顯示92.5℃

■NTC熱敏電阻表面溫度：顯示距離LED越遠溫度越低

■NTC熱敏電阻表面溫度相對于LED表面溫度產(chǎn)生了溫差

■基板表面存在溫度分布，導(dǎo)體圖案與基板材料之間也產(chǎn)生了溫差

圖5：各個測溫點的LED & NTC熱敏電阻表面溫度模擬結(jié)果-1

■LED表面溫度：顯示92.8℃

■NTC熱敏電阻表面溫度：顯示距離熱源LED越遠溫度越低

■NTC熱敏電阻表面溫度相對于LED表面溫度產(chǎn)生了溫差

■基板表面存在溫度分布，導(dǎo)體圖案與基板材料之間也產(chǎn)生了溫差

圖6：各個測溫點的LED & NTC熱敏電阻表面溫度模擬結(jié)果-2

NTC熱敏電阻安裝位置導(dǎo)致的溫差：由于FR4的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.25W/mk，LED的熱量難以向周圍傳遞，導(dǎo)致LED與周圍產(chǎn)生溫差。距離熱源LED越遠，LED和NTC熱敏電阻之間的溫差越大。

圖7：NTC熱敏電阻安裝位置導(dǎo)致的溫差

確認(rèn)基板厚度的影響：當(dāng)基板厚度較厚時，NTC熱敏電阻不容易受到轉(zhuǎn)移到背面GND的熱量的影響，因此NTC熱敏電阻與熱源LED的溫差變大。

圖8：LED和NTC熱敏電阻的表面溫差 (Δ溫度)

△溫度：其顯示了LED表面溫度和NTC熱敏電阻表面溫度之間的溫差。示例：83.1-92.8=-9.7℃

基板材質(zhì)：使用FR4時，由于熱源的熱量難以向周圍傳遞，導(dǎo)致熱源與周圍產(chǎn)生溫差。此外，距離熱源越遠，熱源與NTC安裝位置的溫差越大，在設(shè)計溫度檢測電路時需要考慮到這些現(xiàn)象。

元件選擇步驟

想要進行溫度監(jiān)測使LED表面溫度不超過90℃時：

1) 確認(rèn)基板上的發(fā)熱源（LED）位置。

2) 確定NTC熱敏電阻的安裝位置。

3) 確認(rèn)LED表面溫度和NTC安裝位置的溫度。

（假設(shè)LED溫度為90℃時NTC溫度為80℃的情況）

4) 選擇合適的檢測電路，使80℃時的輸出特性高度準(zhǔn)確。

■檢測電路

■輸出電壓（Vout）特性

NTC溫度：確認(rèn)80℃時的輸出電壓（Vout）。在這種情況下，若Vout顯示高于3.5V，則LED溫度保持在90℃以下。

基板材質(zhì)：使用FR4時，由于熱源的熱量難以向周圍傳遞，導(dǎo)致熱源與周圍產(chǎn)生溫差。此外，距離熱源越遠，熱源與NTC安裝位置的溫差越大。通過確認(rèn)NTC安裝位置的溫度并選擇檢測電路以使輸出特性高度準(zhǔn)確，可以構(gòu)建使用NTC熱敏電阻的最佳電路。

以下是TDK用于一般LED閃光燈（消費設(shè)備）和LED頭燈（車載設(shè)備）的NTC熱敏電阻推薦型號：

此外，選擇檢測電路和NTC熱敏電阻時，您還可以使用TDK的基于Web的NTC熱敏電阻模擬工具。

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