基于NTC热敏电阻的LED闪光基板的温度检测

基于NTC热敏电阻的LED闪光基板的温度检测

NTC热敏电阻是一种热阻元件，其阻值会随温度升高而急剧下降。利用这一特性，除了可以被设计为温度传感器以外，它还被用作温度保护元件以防止电路过热。

通过将NTC热敏电阻安装在靠近热源的位置上，可以准确检测热源温度。但由于基板尺寸和PCB布线等限制，有时也需要将其安装在远离热源的位置。

在本文中，我们假设了这种情况，将LED闪光灯基板上的LED作为热源，并通过发热模拟确认了由于LED和NTC热敏电阻安装位置不同而导致的测量温差，此外还确认了基板厚度的影响，并对其结果进行说明。*/

目的

通过将NTC热敏电阻安装在靠近热源的位置，可实现精确的热源温度检测。

但由于基板尺寸和PCB布线等限制，有时也需要将其安装在远离热源的位置。

我们假设了这种情况，使用发热模拟软件(PICLS，Software Cradle Co., Ltd.制造)，将LED闪烁灯基板的LED作为热源来确认由于LED和NTC热敏电阻安装位置不同而导致的温差，此外还确认基板厚度的影响。

测试基板

测试所用的基板是基于智能手机LED闪光基板的模型所设计的。

基板尺寸：6.5 x 5.0mm

LED尺寸：1.0 x 1.0mm

LED输出：30mW x 4个

图1：基板信息

基板外形和零件配置

基板正面

基板背面

基板设计

外形尺寸6.5x5.0mm

2层基板(基材FR4)

基材导热系数0.25W/mk

图案(Cu)厚度35um

Cu导热系数398W/mk

测试条件

测试条件如下所示。

条件1：基板厚度

对于LED闪烁灯基板，正面的GND布线通过Via连接到背面。

其他部分使用FR4基板材料。

基板越厚使用的基材越多。

基板厚度有0.4mm和1.6mm两个等级。

图2：模拟条件1【基板厚度】

条件2：NTC热敏电阻安装位置

在LED闪烁灯基板的中央区域安装了四个1mm形状的LED。

在远离LED的位置上配置0402mm形状的NTC热敏电阻。

NTC热敏电阻的安装位置距离LED为0.25mm、1.00mm和1.75mm。

图3：模拟条件2 【NTC热敏电阻安装位置】

测温点

发热模拟时的测温点设为LED表面和NTC热敏电阻表面四处。

图4：测温点

测试结果

结果1：基板厚度 0.4mm

LED表面温度・・・显示92.5℃。

NTC热敏电阻表面温度・・・显示距离LED越远温度越低。

NTC热敏电阻表面温度相对于LED表面温度产生了温差。

基板表面存在温度分布，导体图案与基板材料之间也产生了温差。

图5：各个测温点的LED&NTC热敏电阻表面温度模拟结果-1

条件1:基板厚度

0.4mm

1.6mm

结果2：基板厚度1.6mm

LED表面温度・・・显示92.8℃。

NTC热敏电阻表面温度・・・显示距离热源LED越远温度越低。

NTC热敏电阻表面温度相对于LED表面温度产生了温差。

基板表面存在温度分布，导体图案与基板材料之间也产生了温差。

图6：各个测温点的LED&NTC热敏电阻表面温度模拟结果-2

条件1:基板厚度

0.4mm

1.6mm

发热模拟结果总结

NTC热敏电阻安装位置导致的温差：

由于FR4的导热系数低至0.25W/mk，LED的热量难以向周围传递，导致LED与周围产生温差。

距离热源LED越远，LED和NTC热敏电阻之间的温差越大。

图7：NTC热敏电阻安装位置导致的温差

确认基板厚度的影响：

当基板厚度较厚时，NTC热敏电阻不容易受到转移到背面GND的热量的影响，因此NTC热敏电阻与热源LED的温差变大。

图8：LED和NTC热敏电阻的表面温差 (Δ温度)

△温度:

其显示了LED表面温度和NTC热敏电阻表面温度之间的温差。

示例:

83.1-92.8= -9.7℃

使用NTC热敏电阻的温度检测电路

基板材质：使用FR4时，由于热源的热量难以向周围传递，导致热源与周围产生温差。此外，距离热源越远，热源与NTC安装位置的温差越大。在设计温度检测电路时需要考虑到这些现象。

元件选择步骤

想要进行温度监测使LED表面温度不超过90℃时：

1) 确认基板上的发热源(LED)位置。

2) 确定NTC热敏电阻的安装位置。

3) 确认LED表面温度和NTC安装位置的温度。 (假设LED温度为90℃时NTC温度为80℃的情况)

4) 选择合适的检测电路，使80℃时的输出特性高度准确。

图9：使用NTC热敏电阻的温度检测电路

检测电路

输出电压(Vout)特性

NTC温度：确认80℃时的输出电压(Vout)。

在这种情况下，若Vout显示高于3.5V，则LED温度保持在90℃以下。

结论

基板材质：使用FR4时，由于热源的热量难以向周围传递，导致热源与周围产生温差。

此外，距离热源越远，热源与NTC安装位置的温差越大。

通过确认NTC安装位置的温度并选择检测电路以使输出特性高度准确，可以构建使用NTC热敏电阻的最佳电路。

用于一般LED闪光灯(消费设备)和LED头灯(车载设备)的NTC热敏电阻推荐产品编号如下所示。

推荐产品编号

应用等级	TDK Part No.	Case Size	Resistance at 25℃	B Value 25/85℃
LED闪光灯 （一般等级）	NTCG044EF104FTBCX	0402mm	100kΩ	4293K
NTCG064EF104FTBX	0603mm	100kΩ	4308K
LED头灯 (车载等级)	NTCG104EF104FTDSX	1005mm	100kΩ	4308K
NTCG164KF104FTDS	1608mm	100kΩ	4485K

此外，选择检测电路和NTC热敏电阻时，请使用TDK 发布的基于Web的NTC热敏电阻模拟工具。

审核编辑：汤梓红