LED基板的热敏电阻温度检测

一路上

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。我们将LED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。

• LED尺寸：1.0 x 1.0mm
• LED输出：30mW x 4个
• 基板尺寸：6.5 x 5.0mm
  

图1：基板信息

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℃

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。

检测电路

输出电压(Vout)特性

图9：使用NTC热敏电阻的温度检测电路

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，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。

更多相关内容请看：PCB散热设计原理和方法、热敏电阻特性和应用方法。