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,如果熱設計做得不好,LED結點溫度高,就會造成可逆性光衰和不可恢復的永久性光衰,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,使管芯結溫迅速上升,輸入功率越高,發(fā)熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能的變化與衰減,甚至失效。本文對LED驅(qū)動電路進行了過溫保護電路設計,從而降低了LED的光衰現(xiàn)象,并提高了LED的使用壽命。
1 LED過溫保護電路原理
1.1 集成電路
MBI1801是立即開關的驅(qū)動IC,也是專為高功率LED設計的驅(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。為確保應用產(chǎn)品的可靠度,MBI1801內(nèi)建溫度感應器與過熱保護(TP,Thermal Protection)功能。溫度感應器可偵測MBI1801的溫度狀態(tài);當MBI1801溫度超過165℃時,過熱保護功能會關閉電流,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)建過熱保護裝置;操作電壓:5 V;“無鉛環(huán)保”包裝,加置散熱片。
產(chǎn)品應用:高亮度LED照明;紅外線LED 攝影機。
1.2 電路工作原理
圖1為MBI1801搭配LED過溫保護電路。
MBI1801 需要外設一個電阻(REXT)以確定LED預設電流,MBI1801所要使用的電阻此處用一個電位器POT1來替代,該電位器的標稱值計算方法為:
在一些常見的設計中REXT常用兩個電阻串聯(lián)進行分壓,從而得到過溫保護線路中的U1.此時的U1是一個定值,一旦確定R2的阻值,過溫保護電路只能設定一個過溫保護點,為了提高電路對外界環(huán)境的適應能力,可以將過溫保護點設置成可調(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。
負溫度系數(shù)傳感器RT可接到LED 板上感測LED的溫度。當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U2電壓超過U1的電壓值時,二極管VD2導通,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U2
2 設計過程
2.1 定義負溫度系數(shù)熱敏電阻阻值變化曲線
負溫度系數(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.假如過溫度保護點的溫度為85℃,當溫度超過85℃時,LED過溫保護電路開始工作,LED電流開始下降。從圖2負溫度系數(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)可以得出過溫保護電路中U1的公式:
當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)。如將過溫保護電路的保護點溫度降低到80℃,此時在負溫度系數(shù)電阻阻值對溫度的變化曲線上對應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,將過溫保護電路的保護點溫度選擇到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,沒有加過溫保護線路前LED的溫度變化見表1.
MBI1801搭配LED過溫保護線路以后LED電路板的溫度變化如表2所示。過溫保護線路元件數(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點80℃之前,LED電流基本維持一定,當LED電路板溫度超過80℃后,電流開始下降,20 min后,LED電路板溫度達到平衡狀態(tài),溫度幾乎不再上升。
特別注意:過溫度保護線路的保護點不能設在正常工作時的溫度點以內(nèi),否則保護線路會提早啟動并影響LED的亮度。建議將保護點設在比正常工作溫度高10℃,以免誤動作發(fā)生。
4 總 結
本文所設計過溫保護電路具有結構簡單、工作可靠等優(yōu)點,且可以針對不同的環(huán)境溫度設定過溫保護點,在達到降低光衰目的同時,提高了電路對環(huán)境的適應能力。
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