【導(dǎo)讀】LED因其功耗低、使用壽命較長(zhǎng)而越來越多地被汽車制造商用于照明應(yīng)用。然而，當(dāng)新技術(shù)趨勢(shì)遇到極具挑戰(zhàn)的汽車需求時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的要求也水漲船高。新型LED設(shè)計(jì)解決方案不僅要避免LED熱擊穿，還要延長(zhǎng)其預(yù)期壽命。本文將介紹一種簡(jiǎn)單、低成本、基于 NTC 的線性調(diào)光電路，它可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，從而提供更有效的汽車 LED 照明解決方案。
首先，我們簡(jiǎn)單回顧一下汽車照明方案設(shè)計(jì)面臨的問題及助力。然后，結(jié)合仿真結(jié)果展示其采樣電路。最后，通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證仿真結(jié)果，并在文章的最后一節(jié)中展示驗(yàn)證的結(jié)果。
背景信息
LED 照明是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，但也伴隨著額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì) LED 照明系統(tǒng)時(shí)，必須同時(shí)考慮組件的熱特性，以避免熱擊穿。這在汽車照明等應(yīng)用中尤為重要，在這些應(yīng)用中，高環(huán)境溫度和長(zhǎng)工作時(shí)間會(huì)導(dǎo)致組件迅速老化。
汽車照明技術(shù)的發(fā)展需要更大的驅(qū)動(dòng)電流和更小的封裝尺寸，這使散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化變得更加困難，也更加必要。較高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)使器件結(jié)溫升高，甚至優(yōu)化后的散熱也不能滿足需求。因此，必須想出一種方法，在溫度過高時(shí)可以降低 LED 電流。
大多數(shù)汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器都具有電流調(diào)光功能。例如，MPS 的 MPQ2489 利用DIM 引腳實(shí)現(xiàn) PWM 和模擬調(diào)光。然而，調(diào)光控制電路通常會(huì)由比較復(fù)雜的模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，這些電路常常在終端應(yīng)用中占用大量空間并且還會(huì)增加整體系統(tǒng)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(jù)溫度對(duì)輸出電流進(jìn)行線性調(diào)光。
圖 1 顯示的電路可以在溫度低于 70°C 時(shí)，保持驅(qū)動(dòng)器中的標(biāo)稱輸出電流穩(wěn)定。如果超過溫度閾值，輸出電流會(huì)與溫度呈準(zhǔn)線性關(guān)系下降，以避免熱擊穿；當(dāng) LED 達(dá)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 汽車級(jí)降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)實(shí)現(xiàn) PWM 和模擬調(diào)光，但在本應(yīng)用中僅使用后者。要使用模擬調(diào)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 之間線性調(diào)節(jié) LED 電流（見圖 2）。當(dāng)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(diào)光曲線
我們采用NTC 熱敏電阻（TDK 的 NTCG164BH103JTDS）來采樣溫度，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(jù)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(biāo)稱電壓由 1.25V 參考電壓設(shè)置。 這確保了溫度低于 70°C 閾值時(shí)的輸入電壓穩(wěn)定。此外，電阻分壓器的電源電壓通過250mW 齊納二極管設(shè)置為固定的 6.2V。
當(dāng)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 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，隨著溫度的持續(xù)升高，繼續(xù)降低 LED 驅(qū)動(dòng)電流。
仿真測(cè)試用于估計(jì)電路的操作。本示例的仿真結(jié)果表明，在達(dá)到溫度閾值之前，DIM 電壓穩(wěn)定在 1.25V；達(dá)到閾值之后，DIM電壓呈指數(shù)下降，在溫度為 120°C 時(shí)達(dá)到0.3V最小輸出（見圖 3）。
圖3: 仿真測(cè)試結(jié)果
該系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)，即 NTC 電阻遵循 Steinhart-Hart 方程隨溫度變化，我們通過方程 (1)來計(jì)算其值：
Steinhart-Hart方程表明，溫度與NTC電阻值之間的關(guān)系是非線性的，因此電阻分壓器與溫度之間也是非線性關(guān)系。 因此，由溫度引起的電流下降也是非線性的。這種下降可以用等式 (2) 來估算：
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(qū)動(dòng)電流，從而延長(zhǎng)這些組件的預(yù)期壽命。
結(jié)果驗(yàn)證
為了測(cè)試電路性能，我們構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)來模擬真實(shí)用例（見圖 4）。用一個(gè)3Ω 電阻代替LED，通過在其兩極之間施加壓差來加熱。然后，將選定的 NTC 用導(dǎo)熱膏連接在電阻上，以確保盡可能精確地檢測(cè)電阻/溫度。最后，將NTC 連接到設(shè)計(jì)的電路中。通過改變電阻溫度（改變提供的電源電壓），獲取DIM 電壓曲線。
圖4: 測(cè)試裝置
在 25°C 至 145°C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。 圖 5 顯示的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的電路性能。當(dāng)溫度低于 74°C（接近估計(jì)的 70°C 閾值）時(shí)，電路的輸出電壓 (VDIM) 保持在穩(wěn)定的 1.25V。超過此溫度后，在145°C 時(shí)，電壓降至 0.25V。
圖5: 測(cè)試結(jié)果-調(diào)光電壓與溫度之間的函數(shù)關(guān)系
圖 6 顯示了當(dāng) LED 溫度低于 74°C 時(shí)，獲得的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定為 100%。一旦溫度超過該值，驅(qū)動(dòng)電流便會(huì)降低以減少散熱，并抵消溫升。該測(cè)試以及針對(duì)圖 5 所做的測(cè)試，均證實(shí)了設(shè)計(jì)的預(yù)期功能。通過成功地限制高溫下的輸出電流，電路組件可以避免過熱造成損壞。
圖6: 測(cè)試結(jié)果：驅(qū)動(dòng)電流與溫度之間的函數(shù)關(guān)系
總結(jié)
利用簡(jiǎn)單的采樣電路和大多數(shù) LED 驅(qū)動(dòng)器（例如 MPS 的 MPQ2489-AEC1）中已經(jīng)提供的調(diào)光功能，本文介紹的電路成功演示了對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)電流的控制。
該解決方案為汽車照明系統(tǒng)制造商提供了一種穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效的選擇，可以極大地增加電路組件的預(yù)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(duì)容易地應(yīng)用于許多現(xiàn)有的照明系統(tǒng)，材料成本低廉，同時(shí)也證明了驅(qū)動(dòng)器 IC 的可靠性與靈活性。
來源：MPS
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