如何检测基于NTC热敏电阻的LED闪光基板温度？

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

1. ■条件1:基板厚度
2. 0.4mm
3. 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

1. ■条件1:基板厚度
2. 0.4mm
3. 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