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  • 如何检测基于NTC热敏电阻的LED闪光基板温度?
    如何检测基于NTC热敏电阻的LED闪光基板温度?
  • 如何检测基于NTC热敏电阻的LED闪光基板温度?
  •   发布日期: 2023-08-23  浏览次数: 304

    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

    wKgZomTlteSAKD4SAAFyApJsIVo796-1

    ●基板正面

    wKgaomTlteSAbAiIAAGg-Zg5U7Q602-1

    ●基板背面

    wKgaomTlteSARQfGAAEvN6Q5BGE867-1

    ●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】

    wKgaomTlteSAPI6mAADDzSxsZj4341-1

    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】

    wKgZomTlteSACE3TAADHHCUcy_Q332

    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

    wKgZomTlteSAag7MAADPl5Oxh58449

    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
    wKgaomTlteSAAOgoAAD8sZDeoXI640

    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
    wKgaomTlteSAFZFNAAD9VP4zYqw410

    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

    wKgZomTlteSAXXT_AABgEXxkZcc340-1

    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)

    wKgZomTlteSAQR0QAAB7DUy2vEg764

    △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

    wKgZomTlteSAewsSAAB5EiAA6DQ279-1

    ■输出电压(Vout)特性

    wKgaomTlteWATmnqAACHAfQw184646-1

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