降低LED的光衰现象过温保护电路的设计

 引 言

LED照明灯具具有节能省电、高效、环保、寿命长等优点，LED 照明灯具将逐渐取代白炽灯及荧光灯。若LED照明灯具走向全世界，其必将成为一个海量的产品。显然，不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现其成为通用照明方式的必由之路。

对于LED灯特别是大功率LED路灯，如果热设计做得不好，LED结点温度高，就会造成可逆性光衰和不可恢复的永久性光衰，影响LED灯具的性能和寿命。为了增加LED灯具可靠性，驱动电源的性能及可靠性有待提高。大量实践表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能的变化与衰减，甚至失效。本文对LED驱动电路进行了过温保护电路设计，从而降低了LED的光衰现象，并提高了LED的使用寿命。

1  LED过温保护电路原理

1.1 集成电路

MBI1801是立即开关的驱动IC,也是专为高功率LED设计的驱动IC.MBI1801提供了一个恒电流输出通道及高输出电流能力，可通过一外接电阻（Rext）设定MBI1801电流，电流输出范围从50 mA~1 200 mA,用以控制LED的发光亮度，此外亦可通过输入PWM 讯号控制LED明亮度。为确保应用产品的可靠度，MBI1801内建温度感应器与过热保护（TP,Thermal Protection）功能。温度感应器可侦测MBI1801的温度状态；当MBI1801温度超过165℃时，过热保护功能会关闭电流，防止驱动器的温度过高。MBI1801已在TO-265封装体上增加散热能力，以达到安全处理高输出电流。

芯片特点：恒流输出值不受输出端负载电压影响；大恒流输出范围值：1.2 A;利用一个外接电阻，可调整电流输出值；内建过热保护装置；操作电压：5 V;“无铅环保”包装，加置散热片。

产品应用：高亮度LED照明；红外线LED 摄影机。

1.2 电路工作原理

图1为MBI1801搭配LED过温保护电路。

MBI1801 需要外设一个电阻（REXT）以确定LED预设电流，MBI1801所要使用的电阻此处用一个电位器POT1来替代，该电位器的标称值计算方法为：

在一些常见的设计中REXT常用两个电阻串联进行分压，从而得到过温保护线路中的U1.此时的U1是一个定值，一旦确定R2的阻值，过温保护电路只能设定一个过温保护点，为了提高电路对外界环境的适应能力，可以将过温保护点设置成可调节的温度，于是此处选用一个电位器代替两个串联的电阻。

负温度系数传感器RT可接到LED 板上感测LED的温度。当LED的温度升高时，热敏电阻的阻值会随之降低，此时U2电压也会随之升高。当U2电压超过U1的电压值时，二极管VD2导通，U1的电位会被拉高，此时的LED电流计算公式为：

在式（1）、（2）、（3）中，UVD2为正向电压，ILED为LED电流，UR-EXT为MBI1801 R-EXT 引脚的电压。

LED电流会开始下降直到温度平衡，反之亦然。

U1的电压可以通过电位器设定，该电压一旦确定，线路的启动电压也随之而确定。

二极管VD2的作用在于当U2

2  设计过程

2.1 定义负温度系数热敏电阻阻值变化曲线

负温度系数热敏电阻简称为NTC.使用温度范围：-40 ℃ ~125 ℃。电阻值随温度升高而变小。

100 kΩ负温度系数热敏电阻值对温度的变化曲线如图2所示。

2.2 确定电位器POT1

LED选用4串4并的连接方式，其输入电压为13.5 V,LED的电流为1.2 A.由于MBI801 R-EXT引脚的电压UR-EXT等于1.251 V,因此MBI801所使用的电位器为

所以此处选择1 kΩ的电位器。

2.3 确定电阻R2

在确定R2之前，必须先确定一个过温度电路中的电压U1,可调整电位器使其电压值为1.025 V.假如过温度保护点的温度为85℃，当温度超过85℃时，LED过温保护电路开始工作，LED电流开始下降。从图2负温度系数电阻阻值对温度的变化曲线上，可以找到温度为85℃ 时对应的热敏电阻的阻值为7.92 kΩ。U2=U1,可得R2的阻值为：

可以选择R2=2 kΩ。

同理，在R2的阻值确定以后，由公式（4）可以得出过温保护电路中U1的公式：

当LED工作的环境温度发生变化时，如环境温度较高，此时需要降低过温保护点的温度，可以通过调整电位器的电压来实现。如将过温保护电路的保护点温度降低到80℃，此时在负温度系数电阻阻值对温度的变化曲线上对应的热敏电阻的阻值为10 kΩ，可将其阻值代入公式计算出U1的电压为：

通过调节电位器使其电压值为0.85 V即可。

3 测试结果

LED选用4串4并的连接方式，其输入电压为13.5 V,将过温保护电路的保护点温度选择到80℃，电位器POT1=1 kΩ，并调整电位器中间抽头电压为U1=0.85 V,没有加过温保护线路前LED的温度变化见表1.

MBI1801搭配LED过温保护线路以后LED电路板的温度变化如表2所示。过温保护线路元件数据如下：LED选用4串4并的连接方式，其输入电压为13.5 V,UDD =5.1 V,R2 =2 kΩ，电位器POT1=10 kΩ。二极管VD2为SCD32.

从表2可以看出在过温保护点80℃之前，LED电流基本维持一定，当LED电路板温度超过80℃后，电流开始下降，20 min后，LED电路板温度达到平衡状态，温度几乎不再上升。

特别注意：过温度保护线路的保护点不能设在正常工作时的温度点以内，否则保护线路会提早启动并影响LED的亮度。建议将保护点设在比正常工作温度高10℃，以免误动作发生。

4 总 结

本文所设计过温保护电路具有结构简单、工作可靠等优点，且可以针对不同的环境温度设定过温保护点，在达到降低光衰目的同时，提高了电路对环境的适应能力。