【導讀】LED因其功耗低、使用壽命較長(cháng)而越來(lái)越多地被汽車(chē)制造商用于照明應用。然而，當新技術(shù)趨勢遇到極具挑戰的汽車(chē)需求時(shí)，對設計方案的要求也水漲船高。新型LED設計解決方案不僅要避免LED熱擊穿，還要延長(cháng)其預期壽命。本文將介紹一種簡(jiǎn)單、低成本、基于 NTC 的線(xiàn)性調光電路，它可以根據溫度調節驅動(dòng)電流，從而提供更有效的汽車(chē) LED 照明解決方案。
首先，我們簡(jiǎn)單回顧一下汽車(chē)照明方案設計面臨的問(wèn)題及助力。然后，結合仿真結果展示其采樣電路。最后，通過(guò)實(shí)際測試驗證仿真結果，并在文章的最后一節中展示驗證的結果。
背景信息
LED 照明是一項技術(shù)創(chuàng )新，但也伴隨著(zhù)額外的設計挑戰。在設計 LED 照明系統時(shí)，必須同時(shí)考慮組件的熱特性，以避免熱擊穿。這在汽車(chē)照明等應用中尤為重要，在這些應用中，高環(huán)境溫度和長(cháng)工作時(shí)間會(huì )導致組件迅速老化。
汽車(chē)照明技術(shù)的發(fā)展需要更大的驅動(dòng)電流和更小的封裝尺寸，這使散熱設計的優(yōu)化變得更加困難，也更加必要。較高的驅動(dòng)電流會(huì )使器件結溫升高，甚至優(yōu)化后的散熱也不能滿(mǎn)足需求。因此，必須想出一種方法，在溫度過(guò)高時(shí)可以降低 LED 電流。
大多數汽車(chē) LED 驅動(dòng)器都具有電流調光功能。例如，MPS 的 MPQ2489 利用DIM 引腳實(shí)現 PWM 和模擬調光。然而，調光控制電路通常會(huì )由比較復雜的模擬或數字電路實(shí)現，這些電路常常在終端應用中占用大量空間并且還會(huì )增加整體系統成本。本文將介紹一種基于 NTC 的簡(jiǎn)單電路解決方案，可以根據溫度對輸出電流進(jìn)行線(xiàn)性調光。
圖 1 顯示的電路可以在溫度低于 70°C 時(shí)，保持驅動(dòng)器中的標稱(chēng)輸出電流穩定。如果超過(guò)溫度閾值，輸出電流會(huì )與溫度呈準線(xiàn)性關(guān)系下降，以避免熱擊穿；當 LED 達到最高額定溫度（約120°C)時(shí)，電流值最小。
圖1: MPQ2489電路原理圖
采樣電路
本文以 MPQ2489-AEC1的電路作為示例，它是MPS提供的一款 60V、1A 汽車(chē)級降壓 LED 驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器可同時(shí)實(shí)現 PWM 和模擬調光，但在本應用中僅使用后者。要使用模擬調光功能，需要在 DIM 引腳上施加 0.3V 到 2.5V 之間的直流電壓。 該電壓可以在 250mA 和 1.1A 之間線(xiàn)性調節 LED 電流（見(jiàn)圖 2）。當直流電壓范圍在0.3 到 1.25V 之間時(shí)，將產(chǎn)生 250mA 到 550mA 之間的電流。
圖2: MPQ2489-AEC1模擬調光曲線(xiàn)
我們采用NTC 熱敏電阻（TDK 的 NTCG164BH103JTDS）來(lái)采樣溫度，其作為電壓電阻分壓器的一部分連接在電路中。NTC 電阻變化會(huì )引起分壓器輸出端電壓根據溫度變化。這會(huì )改變 DIM 引腳上的電壓，從而改變輸出電流。
施加到 DIM 引腳上的標稱(chēng)電壓由 1.25V 參考電壓設置。 這確保了溫度低于 70°C 閾值時(shí)的輸入電壓穩定。此外，電阻分壓器的電源電壓通過(guò)250mW 齊納二極管設置為固定的 6.2V。
當器件溫度為 70°C 或更低時(shí)，參考電壓提供的 1.25V 限制了 DIM 輸入，并向 LED 提供550mA 電流。 一旦溫度超過(guò) 70°C 閾值，電阻分壓器輸出將降至 1.25V 以下。然后 DIM 輸入遵循電阻分壓器配置文件，隨著(zhù)溫度的持續升高，繼續降低 LED 驅動(dòng)電流。
仿真測試用于估計電路的操作。本示例的仿真結果表明，在達到溫度閾值之前，DIM 電壓穩定在 1.25V；達到閾值之后，DIM電壓呈指數下降，在溫度為 120°C 時(shí)達到0.3V最小輸出（見(jiàn)圖 3）。
圖3: 仿真測試結果
該系統有一個(gè)缺點(diǎn)，即 NTC 電阻遵循 Steinhart-Hart 方程隨溫度變化，我們通過(guò)方程 (1)來(lái)計算其值：
Steinhart-Hart方程表明，溫度與NTC電阻值之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的，因此電阻分壓器與溫度之間也是非線(xiàn)性關(guān)系。 因此，由溫度引起的電流下降也是非線(xiàn)性的。這種下降可以用等式 (2) 來(lái)估算：
盡管存在一些缺陷，該電路仍然提供了一種小巧而簡(jiǎn)單的解決方案，可以在高溫下降低 LED 驅動(dòng)電流，從而延長(cháng)這些組件的預期壽命。
結果驗證
為了測試電路性能，我們構建一個(gè)系統來(lái)模擬真實(shí)用例（見(jiàn)圖 4）。用一個(gè)3Ω 電阻代替LED，通過(guò)在其兩極之間施加壓差來(lái)加熱。然后，將選定的 NTC 用導熱膏連接在電阻上，以確保盡可能精確地檢測電阻/溫度。最后，將NTC 連接到設計的電路中。通過(guò)改變電阻溫度（改變提供的電源電壓），獲取DIM 電壓曲線(xiàn)。
圖4: 測試裝置
在 25°C 至 145°C 的溫度范圍內進(jìn)行測試。 圖 5 顯示的結果達到了預期的電路性能。當溫度低于 74°C（接近估計的 70°C 閾值）時(shí)，電路的輸出電壓 (VDIM) 保持在穩定的 1.25V。超過(guò)此溫度后，在145°C 時(shí)，電壓降至 0.25V。
圖5: 測試結果-調光電壓與溫度之間的函數關(guān)系
圖 6 顯示了當 LED 溫度低于 74°C 時(shí)，獲得的驅動(dòng)電流穩定為 100%。一旦溫度超過(guò)該值，驅動(dòng)電流便會(huì )降低以減少散熱，并抵消溫升。該測試以及針對圖 5 所做的測試，均證實(shí)了設計的預期功能。通過(guò)成功地限制高溫下的輸出電流，電路組件可以避免過(guò)熱造成損壞。
圖6: 測試結果：驅動(dòng)電流與溫度之間的函數關(guān)系
總結
利用簡(jiǎn)單的采樣電路和大多數 LED 驅動(dòng)器（例如 MPS 的 MPQ2489-AEC1）中已經(jīng)提供的調光功能，本文介紹的電路成功演示了對 LED 驅動(dòng)電流的控制。
該解決方案為汽車(chē)照明系統制造商提供了一種穩定、經(jīng)濟高效的選擇，可以極大地增加電路組件的預期壽命，同時(shí)只需占用很少的占板空間。 文中提出的電路可以相對容易地應用于許多現有的照明系統，材料成本低廉，同時(shí)也證明了驅動(dòng)器 IC 的可靠性與靈活性。
來(lái)源：MPS
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