采用温度降额来延长汽车 LED 的预期寿命：一种简单且经济高效的解决方案
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摘要
LED因其功耗低、使用寿命较长而越来越多地被汽车制造商用于照明应用。然而，当新技术趋势遇到极具挑战的汽车需求时，对设计方案的要求也水涨船高。新型LED设计解决方案不仅要避免LED热击穿，还要延长其预期寿命。本文将介绍一种简单、低成本、基于 NTC 的线性调光电路，它可以根据温度调节驱动电流，从而提供更有效的汽车 LED 照明解决方案。
首先，我们简单回顾一下汽车照明方案设计面临的问题及助力。然后，结合仿真结果展示其采样电路。最后，通过实际测试验证仿真结果，并在文章的最后一节中展示验证的结果。
背景信息
LED 照明是一项技术创新，但也伴随着额外的设计挑战。在设计 LED 照明系统时，必须同时考虑组件的热特性，以避免热击穿。这在汽车照明等应用中尤为重要，在这些应用中，高环境温度和长工作时间会导致组件迅速老化。
L汽车照明技术的发展需要更大的驱动电流和更小的封装尺寸，这使散热设计的优化变得更加困难，也更加必要。较高的驱动电流会使器件结温升高，甚至优化后的散热也不能满足需求。因此，必须想出一种方法，在温度过高时可以降低 LED 电流。
大多数汽车 LED 驱动器都具有电流调光功能。例如，MPS 的 MPQ2489 利用DIM 引脚实现 PWM 和模拟调光。然而，调光控制电路通常会由比较复杂的模拟或数字电路实现，这些电路常常在终端应用中占用大量空间并且还会增加整体系统成本。本文将介绍一种基于 NTC 的简单电路解决方案，可以根据温度对输出电流进行线性调光。
图 1 显示的电路可以在温度低于 70°C 时，保持驱动器中的标称输出电流稳定。如果超过温度阈值，输出电流会与温度呈准线性关系下降，以避免热击穿；当 LED 达到最高额定温度（约120°C)时，电流值最小。
图1: MPQ2489电路原理图
采样电路
本文以 MPQ2489-AEC1的电路作为示例，它是MPS提供的一款 60V、1A 汽车级降压 LED 驱动器。该驱动器可同时实现 PWM 和模拟调光，但在本应用中仅使用后者。要使用模拟调光功能，需要在 DIM 引脚上施加 0.3V 到 2.5V 之间的直流电压。 该电压可以在 250mA 和 1.1A 之间线性调节 LED 电流（见图 2）。当直流电压范围在0.3 到 1.25V 之间时，将产生 250mA 到 550mA 之间的电流。
图2: MPQ2489-AEC1模拟调光曲线
我们采用NTC 热敏电阻（TDK 的 NTCG164BH103JTDS）来采样温度，其作为电压电阻分压器的一部分连接在电路中。NTC 电阻变化会引起分压器输出端电压根据温度变化。这会改变 DIM 引脚上的电压，从而改变输出电流。
施加到 DIM 引脚上的标称电压由 1.25V 参考电压设置。 这确保了温度低于 70°C 阈值时的输入电压稳定。此外，电阻分压器的电源电压通过250mW 齐纳二极管设置为固定的 6.2V。
当器件温度为 70°C 或更低时，参考电压提供的 1.25V 限制了 DIM 输入，并向 LED 提供550mA 电流。 一旦温度超过 70°C 阈值，电阻分压器输出将降至 1.25V 以下。然后 DIM 输入遵循电阻分压器配置文件，随着温度的持续升高，继续降低 LED 驱动电流。
仿真测试用于估计电路的操作。本示例的仿真结果表明，在达到温度阈值之前，DIM 电压稳定在 1.25V；达到阈值之后，DIM电压呈指数下降，在温度为 120°C 时达到0.3V最小输出（见图 3）。
图3: 仿真测试结果
该系统有一个缺点，即 NTC 电阻遵循 Steinhart-Hart 方程随温度变化，我们通过方程 (1)来计算其值：
$$R=R_0 \times e^{B\times({1\over T} - {1 \over T_0})}$$Steinhart-Hart方程表明，温度与NTC电阻值之间的关系是非线性的，因此电阻分压器与温度之间也是非线性关系。 因此，由温度引起的电流下降也是非线性的。这种下降可以用等式 (2) 来估算：
$$V_{DIM} = V_{IN} \times {R_{NTC} \over R_2 + R_{NTC}} = ... =V_{IN} \times \frac {e^{B\times({1 \over T}- {1 \over T_0})}}}$$尽管存在一些缺陷，该电路仍然提供了一种小巧而简单的解决方案，可以在高温下降低 LED 驱动电流，从而延长这些组件的预期寿命。
结果验证
为了测试电路性能，我们构建一个系统来模拟真实用例（见图 4）。用一个3Ω 电阻代替LED，通过在其两极之间施加压差来加热。然后，将选定的 NTC 用导热膏连接在电阻上，以确保尽可能精确地检测电阻/温度。最后，将NTC 连接到设计的电路中。通过改变电阻温度（改变提供的电源电压），获取DIM 电压曲线。
图4: 测试装置
在 25°C 至 145°C 的温度范围内进行测试。 图 5 显示的结果达到了预期的电路性能。当温度低于 74°C（接近估计的 70°C 阈值）时，电路的输出电压 (VDIM) 保持在稳定的 1.25V。超过此温度后，在145°C 时，电压降至 0.25V。
图5: 测试结果-调光电压与温度之间的函数关系
图 6 显示了当 LED 温度低于 74°C 时，获得的驱动电流稳定为 100%。一旦温度超过该值，驱动电流便会降低以减少散热，并抵消温升。该测试以及针对图 5 所做的测试，均证实了设计的预期功能。通过成功地限制高温下的输出电流，电路组件可以避免过热造成损坏。
图6: 测试结果：驱动电流与温度之间的函数关系
总结
利用简单的采样电路和大多数 LED 驱动器（例如 MPS 的 MPQ2489-AEC1）中已经提供的调光功能，本文介绍的电路成功演示了对 LED 驱动电流的控制。
该解决方案为汽车照明系统制造商提供了一种稳定、经济高效的选择，可以极大地增加电路组件的预期寿命，同时只需占用很少的占板空间。 文中提出的电路可以相对容易地应用于许多现有的照明系统，材料成本低廉，同时也证明了驱动器 IC 的可靠性与灵活性。
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