基于NTC熱敏電阻的LED閃光基板的溫度檢測(cè)

NTC熱敏電阻是一種熱阻元件，其阻值會(huì)隨溫度升高而急劇下降。利用這一特性，它除了可以被設(shè)計(jì)為溫度傳感器以外，還被用作溫度保護(hù)元件以防止電路過(guò)熱。通過(guò)將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置上，可以準(zhǔn)確檢測(cè)熱源溫度。但由于基板尺寸和PCB布線等限制，有時(shí)也需要將其安裝在遠(yuǎn)離熱源的位置。

NTC熱敏電阻是一種熱阻元件，其阻值會(huì)隨溫度升高而急劇下降。利用這一特性，它除了可以被設(shè)計(jì)為溫度傳感器以外，還被用作溫度保護(hù)元件以防止電路過(guò)熱。通過(guò)將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置上，可以準(zhǔn)確檢測(cè)熱源溫度。但由于基板尺寸和PCB布線等限制，有時(shí)也需要將其安裝在遠(yuǎn)離熱源的位置。

本期推文中，我們假設(shè)了一種LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導(dǎo)致的測(cè)量溫差的情況，并確認(rèn)了基板厚度的影響，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

通過(guò)將NTC熱敏電阻安裝在靠近熱源的位置，可實(shí)現(xiàn)精確的熱源溫度檢測(cè)。但由于基板尺寸和PCB布線等限制，有時(shí)也需要將其安裝在遠(yuǎn)離熱源的位置。我們使用發(fā)熱模擬軟件，假設(shè)了將LED閃爍燈基板的LED作為熱源來(lái)確認(rèn)由于LED和NTC熱敏電阻安裝位置不同而導(dǎo)致的溫差，此外還確認(rèn)基板厚度的影響。

測(cè)試所用的基板是基于智能手機(jī)LED閃光基板的模型所設(shè)計(jì)的。各項(xiàng)尺寸如下：

■ 基板尺寸：6.5 x 5.0mm

■ LED尺寸：1.0 x 1.0mm

■ LED輸出：30mW x 4個(gè)

圖1：基板信息

對(duì)于LED閃爍燈基板，正面的GND布線通過(guò)Via連接到背面，其他部分使用FR4基板材料，而基板越厚使用的基材越多。基板厚度有0.4mm和1.6mm兩個(gè)等級(jí)。

圖2：模擬條件1【基板厚度】

在LED閃爍燈基板的中央?yún)^(qū)域安裝了四個(gè)1mm形狀的LED，在遠(yuǎn)離LED的位置上配置0402mm形狀的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的安裝位置距離LED為0.25mm、1.00mm和1.75mm。

圖3：模擬條件2【NTC熱敏電阻安裝位置】

發(fā)熱模擬時(shí)的測(cè)溫點(diǎn)設(shè)為L(zhǎng)ED表面和NTC熱敏電阻表面四處。

圖4：測(cè)溫點(diǎn)

■ LED表面溫度：顯示92.5℃

■ NTC熱敏電阻表面溫度：顯示距離LED越遠(yuǎn)溫度越低

■ NTC熱敏電阻表面溫度相對(duì)于LED表面溫度產(chǎn)生了溫差

■ 基板表面存在溫度分布，導(dǎo)體圖案與基板材料之間也產(chǎn)生了溫差

圖5：各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的LED & NTC熱敏電阻表面溫度模擬結(jié)果-1

■ LED表面溫度：顯示92.8℃

■ NTC熱敏電阻表面溫度：顯示距離熱源LED越遠(yuǎn)溫度越低

■ NTC熱敏電阻表面溫度相對(duì)于LED表面溫度產(chǎn)生了溫差

■ 基板表面存在溫度分布，導(dǎo)體圖案與基板材料之間也產(chǎn)生了溫差

圖6：各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的LED & NTC熱敏電阻表面溫度模擬結(jié)果-2

NTC熱敏電阻安裝位置導(dǎo)致的溫差：由于FR4的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.25W/mk，LED的熱量難以向周?chē)鷤鬟f，導(dǎo)致LED與周?chē)a(chǎn)生溫差。距離熱源LED越遠(yuǎn)，LED和NTC熱敏電阻之間的溫差越大。

圖7：NTC熱敏電阻安裝位置導(dǎo)致的溫差

確認(rèn)基板厚度的影響：當(dāng)基板厚度較厚時(shí)，NTC熱敏電阻不容易受到轉(zhuǎn)移到背面GND的熱量的影響，因此NTC熱敏電阻與熱源LED的溫差變大。

圖8：LED和NTC熱敏電阻的表面溫差 (Δ溫度)

△溫度：其顯示了LED表面溫度和NTC熱敏電阻表面溫度之間的溫差。示例：83.1-92.8=-9.7℃

基板材質(zhì)：使用FR4時(shí)，由于熱源的熱量難以向周?chē)鷤鬟f，導(dǎo)致熱源與周?chē)a(chǎn)生溫差。此外，距離熱源越遠(yuǎn)，熱源與NTC安裝位置的溫差越大，在設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路時(shí)需要考慮到這些現(xiàn)象。

元件選擇步驟

想要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)使LED表面溫度不超過(guò)90℃時(shí)：

1) 確認(rèn)基板上的發(fā)熱源（LED）位置。

2) 確定NTC熱敏電阻的安裝位置。

3) 確認(rèn)LED表面溫度和NTC安裝位置的溫度。

（假設(shè)LED溫度為90℃時(shí)NTC溫度為80℃的情況）

4) 選擇合適的檢測(cè)電路，使80℃時(shí)的輸出特性高度準(zhǔn)確。

■檢測(cè)電路

■輸出電壓（Vout）特性

NTC溫度：確認(rèn)80℃時(shí)的輸出電壓（Vout）。在這種情況下，若Vout顯示高于3.5V，則LED溫度保持在90℃以下。

基板材質(zhì)：使用FR4時(shí)，由于熱源的熱量難以向周?chē)鷤鬟f，導(dǎo)致熱源與周?chē)a(chǎn)生溫差。此外，距離熱源越遠(yuǎn)，熱源與NTC安裝位置的溫差越大。通過(guò)確認(rèn)NTC安裝位置的溫度并選擇檢測(cè)電路以使輸出特性高度準(zhǔn)確，可以構(gòu)建使用NTC熱敏電阻的最佳電路。

以下是TDK用于一般LED閃光燈（消費(fèi)設(shè)備）和LED頭燈（車(chē)載設(shè)備）的NTC熱敏電阻推薦型號(hào)：

此外，選擇檢測(cè)電路和NTC熱敏電阻時(shí)，您還可以使用TDK的基于Web的NTC熱敏電阻模擬工具。