【導讀】LED照明設備具有高效照明，低耗電等特點，但作為高亮度的LED元件本身卻處于異常的高溫狀態，因此做好LED照明設備過熱保護十分重要。本文介紹的用陶瓷PTC熱敏電阻來簡單實現LED照明設備過熱保護的方法，能夠達到低成本，同時提高LED照明設備的安全性。
隨著LED照明設備(發光二極管)的性能不斷提高，價格日漸低廉，其市場也迅速擴大。LED照明設備已實現了低價化，然而，與傳統的白熾燈，熒光燈相比，作為照明設備的實績仍然欠佳，人們指出其安全性的課題。雖然LED具有高效照明，低耗電的特點，但是作為高亮度的LED元件本身卻處于異常的高溫狀態。
本文將介紹使用村田制作所的陶瓷PTC熱敏電阻“POSISTOR”來簡單實現LED照明設備過熱保護的方法，能夠達到低成本，提高LED照明設備的安全性。
演示板說明
圖1所示為村田制作所展示的發光二極管(LED)演示板的外觀照片。
圖1：村田制作所展出的發光二極管(LED)演示板
在該LED演示板上裝載5個表面貼裝型LED，在其正下方的電路板背面配置了小型陶瓷加熱器。液晶顯示器顯示LED附近的電路板溫度。右下方的照片表示電路板背面的加熱器對LED進行強制加熱。LED附近的溫度達到80℃以上，過熱的LED亮度大幅度下降。這是由于LED附近安裝的PTC熱敏電阻“POSISTOR”的作用，流過LED的電流受到限制。
這樣，在LED本身異常發熱或因外部原因使LED周圍溫度異常升高時，通過降低LED的亮度，可防止LED繼續不斷地發熱，從而防止照明設備的冒煙、燃燒等嚴重事態的發生。
圖2是此類LED演示板的電路示意圖。在5個并聯的LED上施加了恒定電壓5V。通過雙晶體管，在LED上串聯固定電阻(R)和“POSISTOR”(RPTC)，其合成電阻(R和RPTC)則限定了流過LED的最大電流。晶體管具有的作用是：控制“A”的電位，由此接通及斷開流過LED的電流，并且依靠PWM控制進行LED的亮度調節。
圖2：LED演示板線路圖
在“A”的電位為“ON”時，在雙晶體管的“TR2”的基極和發射極之間的電壓(VBE)約固定為0.7V左右。因此，流過LED的電流(ILED )的數值僅根據串聯電阻(R+RPTC)而決定。例如，在溫度為250℃時，電阻(R十RPTC)為3. 5Ω，LED的電流就為200mA。
為什么一旦達到高溫，圖1右側LED的亮度就會大幅度下降呢？我們通過圖3來進行一下解釋。
圖3：相對“POSISTOR”試制件的電阻溫度特性和溫度的LED電流
裝在LED演示板上的是貼片型“POSISTOR”試制品，當溫度達到25℃時的電阻值為0.5Ω。“POSISTOR”是一種具有正溫度系數特性的陶瓷熱敏電阻。它的特點是在特定的溫度下其電阻值可快速增加1000倍以上。該“POSISTOR”試制品的電阻和溫度特性曲線如左圖所示。由于在LED演示板上，3.0Ω的固定電阻(R)和“POSISTOR”的電阻((RPTC)串聯，其等效電阻(R十RPTC)也會隨溫度產生變化。
該等效電阻決定流過LED的電流(ILED)。如右圖表所示，如果溫度為40℃以下，LED電流大致恒定，約為200mA。如果溫度超過40℃以上，通過LED的電流被有效限制，在80℃時達到40mA以下。
只要在決定LED電流的限流電阻加上“POSISTOR”，就能夠構筑此類過熱保護結構。即使LED因某些原因處于高溫狀態，如果具備此類過熱保護結構，LED就不會在處于高亮度點亮狀態下進一步發熱。采用這種簡單的方法，可防止LED引起冒煙、燃燒等嚴重事態的發生。無需采用復雜的溫度檢測功能及判定用邏輯元件，以及LED的電流控制功能。
但是，即使在高溫時，也并非完全切斷電流，還是有一定程度的電流(例如，在80 ℃時，約40mA)流過LED。像照明設備一樣，有時燈光完全熄滅卻反而有危險，所以，該特點最為適合。
并且，對普通LED元件將相對環境溫度的容許電流作為標準予以強調。如果工作電流超過該容許電流，則會趨于劣化，降低壽命。如果按圖3右圖所示能夠限制電流，則能夠達到與LED元件的允許電流曲線一致的電流控制。
上例僅為采用“POSISTOR”的試制件。目前，村田制作所正在致力于開發在形狀、電阻值、使電阻值上升的溫度點等參數上最適合LED照明設備的“POSISTOR”。
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使用現有“POSISTOR”的方法
目前，將現有的“POSISTOR”與LED驅動芯片組合，能夠實現與上述演示板所示完全相同的功能。圖4為該電路的示意圖。
圖4：現有的芯片“POSISTOR”PRF系列與LED驅動器的組合
如左圖所示，當LED驅動芯片具有溫度檢測用端口時，使用固定電阻和“POSISTOR”串聯而組成的等效電阻的溫度特性，能夠實現過熱保護功能。以下使用圖5說明其原理。
左圖表示現有的貼片型“POSISTOR PRF”系列的電阻溫度特性。在25℃時的電阻值均為470Ω，但電阻值快速上升的初始溫度根據品種而不同。如果將該PRF系歹J(RPTC)與3.0kΩ的固定電阻((R)串聯，其等效電阻(R+RPTC)在溫度25℃時可達到3.47kΩ。
圖5：相對PRF系列電阻溫度特性和溫度的輸出電壓
對該等效電阻上施加3.3V(Vref)的恒定電壓，用10kΩ的固定電阻(Rd)進行分壓的分壓電位(Vout)如右圖所示。在室溫附近為大致恒定的電壓(約為0.85V)，一旦達到規定的溫度，電壓就急劇上升。例如，在使用PRF系列“BE”特性品時，當溫度達到100℃, Vout就上升到2.75V。如果是“BC”特性品在120℃時，電壓為2.75V。
LED驅動芯片將此類電壓變化作為溫度信息予以接受。例如，在接受的電壓超過2.75V時，能夠實現熄滅LED的關燈功能。由此可見，使用“POSISTOR”的優點為：驅動芯片側電路和控制邏輯非常簡單。通常，在此類過熱檢測電路中，根據LED和傳感器元件的溫度差，LED周圍的散熱機構的差異等影響，各照明設備的傳感器元件所必須檢測的溫度會變化。對于這種溫度變化，只要改變“POSISTOR”的品種就能夠應對。而在驅動芯片側的閾值電壓的設定和溫度檢測邏輯電路等則完全相同。由于不需要在檢測電路作任何變更，就能夠節省設計的人工和時間。
另外，如果能夠將右圖所示的電壓變化方式直接用于控制LED電流，則能夠實現如同LED演示板所詮釋的保護功能，即在所期望的溫度值下快速有效限制LED電流，而又不會使LED完全熄滅。
另外，在如圖4右圖那樣，在LED驅動芯片具有LED最大電流設定端口時，可利用圖5左圖那種電阻值變化方式，直接用于控制LED電流。即使不使用在LED演示板上那種“POSISTOR”試制品，使用現有的芯片“POSISTOR” PRF系列也可能實現完全相同的保護功能。
表1：芯片PRF系列“POSISTOR”規格表
表1是現有的貼片型“POSISTOR”PRF系列的規格參數表。
在本文中介紹的，將PRF系列與LED驅動芯片組合使用的方法已經在某些LED照明設備中采用。使用包含在開頭所述的試制品而獲得的此類簡單的過熱保護功能，對實現LED照明設備的低價化和確保安全性作出了貢獻。
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