PPTC為高亮度LED元件提供驅動電源過熱保護設計

OSRAM針對LCD螢幕設計的側背光LED光源解決方案，使用LED數量更低，但也會讓單顆LED發光元件的驅動功率、運行溫度增加。OSRAM

傳統白熾燈或是冷陰極管(CCFL)應用光源，針對光源的驅動技術已相對成熟，但高亮度LED元件驅動應用較這些傳統光源有顯著地不同，LED光源不但要求需提供高功率驅動設計，同時電源模組在使用上另需配合LED光源的較長使用壽命要求，不只是驅動電路設計要求較高，相關保護電力設計方案也愈加受到重視...

為達到取代傳統鎢絲燈泡(白熾燈)目的、或是全面暴增的LCD螢幕改用LED背光應用趨勢，進而達到更高的環保、節能要求，LED燈具產品被要求需以更高功率進行驅動，以滿足近似或超越傳統白熾燈的照明效果。

但高功率驅動要求同時也帶來驅動電路設計要求更嚴苛，在燈具製作成本要求下、必須同時兼顧驅動電路設計安全性，這也為相關產品設計帶來更多挑戰。透過高亮度LED光源晶片(High Brightness LED；HBLED)持續改善設計，尤其針對日常照明應用需求開發的相關產品，LED光源已可在更高驅動電流下運作，並達到較舊款產品更高的輸出效果。

HBLED輸出亮度持續提升 散熱設計益加困難

例如，單位晶片提供更高的輸出流明，不只是照明應用設計，針對LCD螢幕的LED背光應用設計，在單位LED晶片發光效率倍數提升的前提下，雖可讓同尺寸LCD螢幕應用的側背光(Light Bar)設計使用的LED總數量減少，但每個單顆LED其驅動能量卻因提升輸出亮度而相對增加。

雖然提升外加於LED晶片的驅動功率密度，可使輸出亮度對應提升，但此種設計邏輯，卻無法避免LED元件之發熱量增加，若設計方案未能在散熱處理進行改善，可能導致LED光源產品或模組，產生壽命變短或是發光效率受影響等問題。

燈泡導入HBLED提升亮度 需搭配電源安全設計

HBLED在照明系統中，LED的光輸出效果隨晶片類型、封裝、與晶圓不同生產批量，可能其光輸出測出來的數據都會有所不同，若在光源應用中，可使用線性電源驅動，或是由交換式電源進行產品驅動，尤其是設計方案中當電源電壓明顯大於負載電壓時，採用線性電源驅動為較合適的設計方案；另一方面，若驅動電壓與負載電壓接近或更低，這時利用交換式電源設計，也能增加驅動效果。

基於電路安全設計要求，在常見燈泡光源形式設計方案中，HBLED高亮度光源在驅動電路的模組壓縮成本要求更高，因為若是LCD螢幕的LED背光模組，可在保護電路花費較高成本；但若是作為照明光源應用，LED燈泡產品本身單價就相對較低，電源驅動電路就必須以更低成本達高驅動能量、高壽命與高安全性等設計要求。

LED燈泡產品要求成本壓低 需有配套之電源安全設計

要求產品可以同時為低成本、高安全性看似相互矛盾，但在實務產品開發上卻是必須克服的設計課題。因為在產品與各別廠家進行評比時，多數廠家可能會較關注光源產品的輸出效能，但若燈泡產品出現使用上之安全疑慮，因而影響商譽，則會較燈泡輸出增加多少流明、或產品較同級產品成本差距等影響更大。

針對燈泡這類僅有極小空間的電源驅動設計方案，因燈泡的燈體很小，驅動用電路可用載板設置空間相對更小，不只是電子零件置放空間與載板面積有限，散熱設計也會因為燈泡的「機殼」空間變小而使其散熱設計不易。

一般作法是利用大量的金屬或高熱傳動性之合金燈體改善散熱效率，即便如此，也必須在驅動HBLED的電子電路增設主？被動電源保護設計。常見可選方案為利用PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficent)聚合物正溫度係數元件(又稱可復式保險絲Resettable Fuse)，PPTC元件也常見於各式過電流保護電路設計方案中。

善用PPTC元件 改善HBLED光源產品應用安全

PPTC元件本身為利用聚合物結晶搭配導電粒子，製成呈3D結構的導通狀態設計，若外加電流增加、導致元件或環境溫度升高時，PPTC元件即因結晶聚合物產生非結晶狀態而使原導通狀態之鏈路改變為不導通狀態，可在極短時間內由導通轉換為不導通。

以PPTC物理特性搭配電路設計，讓電子電路可具備特定高溫狀態下產生電流限流作用，電子電路可在超出安全運作溫度情境下，利用供應電路限電流作用，使驅動輸出功率受限，進而避免電源處理電路出現高溫燒毀或影響周邊用電安全問題。

PPTC在正常工作溫度下的電阻值為微歐姆至數歐姆之間，若出現過電流現象(如高溫或電路短路過電流現象)時，PPTC隨即形成高電阻值達限制電源電路輸出電流狀態，而如此即可對電路產生所需之保護作用。

而在HBLED應用電路上，有時裝置的高熱狀態可能僅是LED光源本身高熱、散熱不良造成，實際上LED燈泡可能並沒有損壞，這時PPTC的另一個特性更能迎合此種產品使用問題。

PPTC可往覆使用特性 為產品提供更高應用價值

因PPTC可在元件高熱、過流問題恢復正常一段時間後，本身會恢復原有低電阻狀態，讓驅動電路可以回復正常電路功能，保護電路在產品周邊問題改善後，又可回復正常使用性能，達保護設計可重複使用之有利設計目的。

在HBLED製成產品上，如燈泡或汽車用車燈產品，在驅動電路增設PPTC保護元件，可以有效控制光源模組的運作元件溫度，若元件或模組溫度過高，PPTC隨即作動限制電流輸出，甚至極短時間將輸出驅動電能限制在安全區域下，達到安全運行條件。待溫度過高狀況解除，PPTC與其電子電路即恢復正常，又可繼續使用正常電路輸出驅動相關元件。

因為要讓PPTC元件作動，其元件運作為採熱啟動型態，因此PPTC元件的周圍溫動改變都會影響PPTC物理電氣特性，隨著HBLED元件周邊溫度持續增加，只要超過PPTC作動的溫度(過電流)臨界點，PPTC即呈現近似開路之高阻抗狀態。

在HBLED光源設計方案方面，可利用PPTC元件搭配簡易電路設計，即可設計具環境安全溫度控制的產品驅動電路設計，而當環境高溫問題狀況解除後，只要電子元件不至於因高溫而受損，均可在環境高溫問題解除後讓驅動電路回復正常運作狀態。

利用PPTC可往覆應用的過電流安全保護設計，達到低成本、快速反應HBLED高溫之安全電路設計，形成接近傳統保險絲之高溫保護設計概念，但卻具備裝置回復常溫、電子電路同時恢復正常運行狀態的多重複用優勢。利用PPTC電力控制安全設計方案導入，除可以讓HBLED的應用安全大幅提升，利用簡易的安全電路設計，也可在簡化電源驅動電路的同時，達到有效改善驅動電路安全設計的目的。