基于NTC熱敏電阻的LED閃光基板的溫度檢測

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，除了可以被設計為溫度傳感器以外，它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。

在本文中，我們假設了這種情況，將LED閃光燈基板上的LED作為熱源，并通過發熱模擬確認了由于LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導致的測量溫差，此外還確認了基板厚度的影響，并對其結果進行說明。*/

目的

通過將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置，可實現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。

我們假設了這種情況，使用發熱模擬軟件(PICLS，Software Cradle Co., Ltd.制造)，將LED閃爍燈基板的LED作為熱源來確認由于LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導致的溫差，此外還確認基板厚度的影響。

測試基板

測試所用的基板是基于智能手機LED閃光基板的模型所設計的。

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

基板外形和零件配置

基板正面

基板背面

基板設計

外形尺寸6.5x5.0mm

2層基板(基材FR4)

基材導熱系數0.25W/mk

圖案(Cu)厚度35um

Cu導熱系數398W/mk

測試條件

測試條件如下所示。

條件1：基板厚度

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。

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】

條件2：NTC熱敏電阻安裝位置

在LED閃爍燈基板的中央區域安裝了四個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】

測溫點

發熱模擬時的測溫點設為LED表面和NTC熱敏電阻表面四處。

圖4：測溫點

測試結果

結果1：基板厚度 0.4mm

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表面溫度產生了溫差。

基板表面存在溫度分布，導體圖案與基板材料之間也產生了溫差。

圖5：各個測溫點的LED&NTC熱敏電阻表面溫度模擬結果-1

條件1:基板厚度

0.4mm

1.6mm

結果2：基板厚度1.6mm

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表面溫度產生了溫差。

基板表面存在溫度分布，導體圖案與基板材料之間也產生了溫差。

圖6：各個測溫點的LED&NTC熱敏電阻表面溫度模擬結果-2

條件1:基板厚度

0.4mm

1.6mm

發熱模擬結果總結

NTC熱敏電阻安裝位置導致的溫差：

由于FR4的導熱系數低至0.25W/mk，LED的熱量難以向周圍傳遞，導致LED與周圍產生溫差。

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致的溫差

確認基板厚度的影響：

當基板厚度較厚時，NTC熱敏電阻不容易受到轉移到背面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℃

使用NTC熱敏電阻的溫度檢測電路

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

元件選擇步驟

想要進行溫度監測使LED表面溫度不超過90℃時：

1) 確認基板上的發熱源(LED)位置。

2) 確定NTC熱敏電阻的安裝位置。

3) 確認LED表面溫度和NTC安裝位置的溫度。 (假設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確。

圖9：使用NTC熱敏電阻的溫度檢測電路

檢測電路

輸出電壓(Vout)特性

NTC溫度：確認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。

結論

基板材質：使用FR4時，由于熱源的熱量難以向周圍傳遞，導致熱源與周圍產生溫差。

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NTC安裝位置的溫度并選擇檢測電路以使輸出特性高度準確，可以構建使用NTC熱敏電阻的最佳電路。

用于一般LED閃光燈(消費設備)和LED頭燈(車載設備)的NTC熱敏電阻推薦產品編號如下所示。

推薦產品編號

此外，選擇檢測電路和NTC熱敏電阻時，請使用TDK 發布的基于Web的NTC熱敏電阻模擬工具。

審核編輯：湯梓紅