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采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案

發(fā)布時間:2021-08-13 來源:Xavier Ribas,Tomas Hudson 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】LED因其功耗低、使用壽命較長而越來越多地被汽車制造商用于照明應(yīng)用。然而,當新技術(shù)趨勢遇到極具挑戰(zhàn)的汽車需求時,對設(shè)計方案的要求也水漲船高。新型LED設(shè)計解決方案不僅要避免LED熱擊穿,還要延長其預(yù)期壽命。本文將介紹一種簡單、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)動電流,從而提供更有效的汽車 LED 照明解決方案。 
 
首先,我們簡單回顧一下汽車照明方案設(shè)計面臨的問題及助力。然后,結(jié)合仿真結(jié)果展示其采樣電路。最后,通過實際測試驗證仿真結(jié)果,并在文章的最后一節(jié)中展示驗證的結(jié)果。
 
背景信息
 
LED 照明是一項技術(shù)創(chuàng)新,但也伴隨著額外的設(shè)計挑戰(zhàn)。在設(shè)計 LED 照明系統(tǒng)時,必須同時考慮組件的熱特性,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)境溫度和長工作時間會導(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)動電流和更小的封裝尺寸,這使散熱設(shè)計的優(yōu)化變得更加困難,也更加必要。較高的驅(qū)動電流會使器件結(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,在溫度過高時可以降低 LED 電流。
 
大多數(shù)汽車 LED 驅(qū)動器都具有電流調(diào)光功能。例如,MPS 的 MPQ2489 利用DIM 引腳實現(xiàn) PWM 和模擬調(diào)光。然而,調(diào)光控制電路通常會由比較復(fù)雜的模擬或數(shù)字電路實現(xiàn),這些電路常常在終端應(yīng)用中占用大量空間并且還會增加整體系統(tǒng)成本。本文將介紹一種基于 NTC 的簡單電路解決方案,可以根據(jù)溫度對輸出電流進行線性調(diào)光。
 
圖 1 顯示的電路可以在溫度低于 70°C 時,保持驅(qū)動器中的標稱輸出電流穩(wěn)定。如果超過溫度閾值,輸出電流會與溫度呈準線性關(guān)系下降,以避免熱擊穿;當 LED 達到最高額定溫度(約120°C)時,電流值最小。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
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 汽車級降壓 LED 驅(qū)動器。該驅(qū)動器可同時實現(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)。當直流電壓范圍在0.3 到 1.25V 之間時,將產(chǎn)生 250mA 到 550mA 之間的電流。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
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 電阻變化會引起分壓器輸出端電壓根據(jù)溫度變化。這會改變 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。
 
當器件溫度為 70°C 或更低時,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)動電流。
 
仿真測試用于估計電路的操作。本示例的仿真結(jié)果表明,在達到溫度閾值之前,DIM 電壓穩(wěn)定在 1.25V;達到閾值之后,DIM電壓呈指數(shù)下降,在溫度為 120°C 時達到0.3V最小輸出(見圖 3)。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
圖3: 仿真測試結(jié)果
 
該系統(tǒng)有一個缺點,即 NTC 電阻遵循 Steinhart-Hart 方程隨溫度變化,我們通過方程 (1)來計算其值:
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
 
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:
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
 
盡管存在一些缺陷,該電路仍然提供了一種小巧而簡單的解決方案,可以在高溫下降低 LED 驅(qū)動電流,從而延長這些組件的預(yù)期壽命。
 
結(jié)果驗證
 
為了測試電路性能,我們構(gòu)建一個系統(tǒng)來模擬真實用例(見圖 4)。用一個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電阻/溫度。最后,將NTC 連接到設(shè)計的電路中。通過改變電阻溫度(改變提供的電源電壓),獲取DIM 電壓曲線。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
圖4: 測試裝置
 
在 25°C 至 145°C 的溫度范圍內(nèi)進行測試。 圖 5 顯示的結(jié)果達到了預(yù)期的電路性能。當溫度低于 74°C(接近估計的 70°C 閾值)時,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,電壓降至 0.25V。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
圖5: 測試結(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 LED 溫度低于 74°C 時,獲得的驅(qū)動電流穩(wěn)定為 100%。一旦溫度超過該值,驅(qū)動電流便會降低以減少散熱,并抵消溫升。該測試以及針對圖 5 所做的測試,均證實了設(shè)計的預(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。 
 
采用溫度降額來延長汽車LED的預(yù)期壽命:一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案
圖6: 測試結(jié)果:驅(qū)動電流與溫度之間的函數(shù)關(guān)系
 
總結(jié)
 
利用簡單的采樣電路和大多數(shù) LED 驅(qū)動器(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 LED 驅(qū)動電流的控制。
 
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)濟高效的選擇,可以極大地增加電路組件的預(yù)期壽命,同時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(yīng)用于許多現(xiàn)有的照明系統(tǒng),材料成本低廉,同時也證明了驅(qū)動器 IC 的可靠性與靈活性。
 
來源:MPS
 
 
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