LED的過溫監(jiān)測與過溫保護(hù)電路設(shè)計

摘要：大功率LED燈的散熱仍然是LED照明行業(yè)發(fā)展的瓶頸。若散熱問題得不到解決，將會使LED燈的溫度上升，導(dǎo)致其發(fā)光亮度減弱、使用壽命縮短。因此加強(qiáng)對LED的過溫監(jiān)測與過溫保護(hù)電路設(shè)計是十分必要的。

0 引 言

LED照明燈具具有節(jié)能省電、高效、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，LED 照明燈具將逐漸取代白熾燈及熒光燈。若LED照明燈具走向全世界，其必將成為一個海量的產(chǎn)品。顯然，不斷地提高LED的輸入功率與發(fā)光效率是實現(xiàn)其成為通用照明方式的必由之路。

對于LED燈特別是大功率LED路燈，如果熱設(shè)計做得不好，LED結(jié)點溫度高，就會造成可逆性光衰和不可恢復(fù)的永久性光衰，影響LED燈具的性能和壽命。為了增加LED燈具可靠性，驅(qū)動電源的性能及可靠性有待提高。大量實踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能的變化與衰減，甚至失效。本文對LED驅(qū)動電路進(jìn)行了過溫保護(hù)電路設(shè)計，從而降低了LED的光衰現(xiàn)象，并提高了LED的使用壽命。

1 LED過溫保護(hù)電路原理

1.1 集成電路

MBI1801是立即開關(guān)的驅(qū)動IC，也是專為高功率LED設(shè)計的驅(qū)動IC.MBI1801提供了一個恒電流輸出通道及高輸出電流能力，可通過一外接電阻（Rext）設(shè)定MBI1801電流，電流輸出范圍從50 mA~1 200 mA，用以控制LED的發(fā)光亮度，此外亦可通過輸入PWM 訊號控制LED明亮度。為確保應(yīng)用產(chǎn)品的可靠度，MBI1801內(nèi)建溫度感應(yīng)器與過熱保護(hù)（TP，Thermal Protection）功能。溫度感應(yīng)器可偵測MBI1801的溫度狀態(tài)；當(dāng)MBI1801溫度超過165℃時，過熱保護(hù)功能會關(guān)閉電流，防止驅(qū)動器的溫度過高。MBI1801已在TO-265封裝體上增加散熱能力，以達(dá)到安全處理高輸出電流。

芯片特點：恒流輸出值不受輸出端負(fù)載電壓影響；大恒流輸出范圍值：1.2 A;利用一個外接電阻，可調(diào)整電流輸出值；內(nèi)建過熱保護(hù)裝置；操作電壓：5 V;“無鉛環(huán)保”包裝，加置散熱片。

產(chǎn)品應(yīng)用：高亮度LED照明；紅外線LED 攝影機(jī)。

1.2 電路工作原理

圖1為MBI1801搭配LED過溫保護(hù)電路。

MBI1801 需要外設(shè)一個電阻（REXT）以確定LED預(yù)設(shè)電流，MBI1801所要使用的電阻此處用一個電位器POT1來替代，該電位器的標(biāo)稱值計算方法為：

在一些常見的設(shè)計中REXT常用兩個電阻串聯(lián)進(jìn)行分壓，從而得到過溫保護(hù)線路中的U1.此時的U1是一個定值，一旦確定R2的阻值，過溫保護(hù)電路只能設(shè)定一個過溫保護(hù)點，為了提高電路對外界環(huán)境的適應(yīng)能力，可以將過溫保護(hù)點設(shè)置成可調(diào)節(jié)的溫度，于是此處選用一個電位器代替兩個串聯(lián)的電阻。

負(fù)溫度系數(shù)傳感器RT可接到LED 板上感測LED的溫度。當(dāng)LED的溫度升高時，熱敏電阻的阻值會隨之降低，此時U2電壓也會隨之升高。當(dāng)U2電壓超過U1的電壓值時，二極管VD2導(dǎo)通，U1的電位會被拉高，此時的LED電流計算公式為：

在式（1）、（2）、（3）中，UVD2為正向電壓，ILED為LED電流，UR-EXT為MBI1801 R-EXT 引腳的電壓。

LED電流會開始下降直到溫度平衡，反之亦然。

U1的電壓可以通過電位器設(shè)定，該電壓一旦確定，線路的啟動電壓也隨之而確定。

二極管VD2的作用在于當(dāng)U2《U1時，U1不會受U2影響。如果VD2的正向電壓高就會產(chǎn)生額外的誤差，在此選擇正向壓降較小的肖特基二極管。

2 設(shè)計過程

2.1 定義負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值變化曲線

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻簡稱為NTC.使用溫度范圍：-40 ℃ ~125 ℃。電阻值隨溫度升高而變小。

100 kΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻值對溫度的變化曲線如圖2所示。

2.2 確定電位器POT1

LED選用4串4并的連接方式，其輸入電壓為13.5 V，LED的電流為1.2 A.由于MBI801 R-EXT引腳的電壓UR-EXT等于1.251 V，因此MBI801所使用的電位器為

所以此處選擇1 kΩ的電位器。

2.3 確定電阻R2

在確定R2之前，必須先確定一個過溫度電路中的電壓U1，可調(diào)整電位器使其電壓值為1.025 V.假如過溫度保護(hù)點的溫度為85℃，當(dāng)溫度超過85℃時，LED過溫保護(hù)電路開始工作，LED電流開始下降。從圖2負(fù)溫度系數(shù)電阻阻值對溫度的變化曲線上，可以找到溫度為85℃ 時對應(yīng)的熱敏電阻的阻值為7.92 kΩ。U2=U1，可得R2的阻值為：

可以選擇R2=2 kΩ。

同理，在R2的阻值確定以后，由公式（4）可以得出過溫保護(hù)電路中U1的公式：

當(dāng)LED工作的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，如環(huán)境溫度較高，此時需要降低過溫保護(hù)點的溫度，可以通過調(diào)整電位器的電壓來實現(xiàn)。如將過溫保護(hù)電路的保護(hù)點溫度降低到80℃，此時在負(fù)溫度系數(shù)電阻阻值對溫度的變化曲線上對應(yīng)的熱敏電阻的阻值為10 kΩ，可將其阻值代入公式計算出U1的電壓為：

通過調(diào)節(jié)電位器使其電壓值為0.85 V即可。

3 測試結(jié)果

LED選用4串4并的連接方式，其輸入電壓為13.5 V，將過溫保護(hù)電路的保護(hù)點溫度選擇到80℃，電位器POT1=1 kΩ，并調(diào)整電位器中間抽頭電壓為U1=0.85 V，沒有加過溫保護(hù)線路前LED的溫度變化見表1.

MBI1801搭配LED過溫保護(hù)線路以后LED電路板的溫度變化如表2所示。過溫保護(hù)線路元件數(shù)據(jù)如下：LED選用4串4并的連接方式，其輸入電壓為13.5 V，UDD =5.1 V，R2 =2 kΩ，電位器POT1=10 kΩ。二極管VD2為SCD32.

從表2可以看出在過溫保護(hù)點80℃之前，LED電流基本維持一定，當(dāng)LED電路板溫度超過80℃后，電流開始下降，20 min后，LED電路板溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度幾乎不再上升。

特別注意：過溫度保護(hù)線路的保護(hù)點不能設(shè)在正常工作時的溫度點以內(nèi)，否則保護(hù)線路會提早啟動并影響LED的亮度。建議將保護(hù)點設(shè)在比正常工作溫度高10℃，以免誤動作發(fā)生。

4 總 結(jié)

本文所設(shè)計過溫保護(hù)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點，且可以針對不同的環(huán)境溫度設(shè)定過溫保護(hù)點，在達(dá)到降低光衰目的同時，提高了電路對環(huán)境的適應(yīng)能力。

責(zé)任編輯：ct