PPTC为高亮度LED元件提供驱动电源过热保护设计

OSRAM针对LCD屏幕设计的侧背光LED光源解决方案，使用LED数量更低，但也会让单颗LED发光元件的驱动功率、运行温度增加。OSRAM

传统白炽灯或是冷阴极管(CCFL)应用光源，针对光源的驱动技术已相对成熟，但高亮度LED元件驱动应用较这些传统光源有显着地不同，LED光源不但要求需提供高功率驱动设计，同时电源模块在使用上另需配合LED光源的较长使用寿命要求，不只是驱动电路设计要求较高，相关保护电力设计方案也愈加受到重视...

为达到取代传统钨丝灯泡(白炽灯)目的、或是全面暴增的LCD屏幕改用LED背光应用趋势，进而达到更高的环保、节能要求，LED灯具产品被要求需以更高功率进行驱动，以满足近似或超越传统白炽灯的照明效果。

但高功率驱动要求同时也带来驱动电路设计要求更严苛，在灯具制作成本要求下、必须同时兼顾驱动电路设计安全性，这也为相关产品设计带来更多挑战。透过高亮度LED光源芯片(High Brightness LED；HBLED)持续改善设计，尤其针对日常照明应用需求开发的相关产品，LED光源已可在更高驱动电流下运作，并达到较旧款产品更高的输出效果。

HBLED输出亮度持续提升 散热设计益加困难

例如，单位芯片提供更高的输出流明，不只是照明应用设计，针对LCD屏幕的LED背光应用设计，在单位LED芯片发光效率倍数提升的前提下，虽可让同尺寸LCD屏幕应用的侧背光(Light Bar)设计使用的LED总数量减少，但每个单颗LED其驱动能量却因提升输出亮度而相对增加。

虽然提升外加于LED芯片的驱动功率密度，可使输出亮度对应提升，但此种设计逻辑，却无法避免LED元件之发热量增加，若设计方案未能在散热处理进行改善，可能导致LED光源产品或模块，产生寿命变短或是发光效率受影响等问题。

灯泡导入HBLED提升亮度 需搭配电源安全设计

HBLED在照明系统中，LED的光输出效果随芯片类型、封装、与晶圆不同生产批量，可能其光输出测出来的数据都会有所不同，若在光源应用中，可使用线性电源驱动，或是由交换式电源进行产品驱动，尤其是设计方案中当电源电压明显大于负载电压时，采用线性电源驱动为较合适的设计方案；另一方面，若驱动电压与负载电压接近或更低，这时利用交换式电源设计，也能增加驱动效果。

基于电路安全设计要求，在常见灯泡光源形式设计方案中，HBLED高亮度光源在驱动电路的模块压缩成本要求更高，因为若是LCD屏幕的LED背光模块，可在保护电路花费较高成本；但若是作为照明光源应用，LED灯泡产品本身单价就相对较低，电源驱动电路就必须以更低成本达高驱动能量、高寿命与高安全性等设计要求。

LED灯泡产品要求成本压低 需有配套之电源安全设计

要求产品可以同时为低成本、高安全性看似相互矛盾，但在实务产品开发上却是必须克服的设计课题。因为在产品与各别厂家进行评比时，多数厂家可能会较关注光源产品的输出效能，但若灯泡产品出现使用上之安全疑虑，因而影响商誉，则会较灯泡输出增加多少流明、或产品较同级产品成本差距等影响更大。

针对灯泡这类仅有极小空间的电源驱动设计方案，因灯泡的灯体很小，驱动用电路可用载板设置空间相对更小，不只是电子零件置放空间与载板面积有限，散热设计也会因为灯泡的「机壳」空间变小而使其散热设计不易。

一般作法是利用大量的金属或高热传动性之合金灯体改善散热效率，即便如此，也必须在驱动HBLED的电子电路增设主？被动电源保护设计。常见可选方案为利用PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficent)聚合物正温度系数元件(又称可复式保险丝Resettable Fuse)，PPTC元件也常见于各式过电流保护电路设计方案中。

善用PPTC元件 改善HBLED光源产品应用安全

PPTC元件本身为利用聚合物结晶搭配导电粒子，制成呈3D结构的导通状态设计，若外加电流增加、导致元件或环境温度升高时，PPTC元件即因结晶聚合物产生非结晶状态而使原导通状态之链路改变为不导通状态，可在极短时间内由导通转换为不导通。

以PPTC物理特性搭配电路设计，让电子电路可具备特定高温状态下产生电流限流作用，电子电路可在超出安全运作温度情境下，利用供应电路限电流作用，使驱动输出功率受限，进而避免电源处理电路出现高温烧毁或影响周边用电安全问题。

PPTC在正常工作温度下的电阻值为微欧姆至数欧姆之间，若出现过电流现象(如高温或电路短路过电流现象)时，PPTC随即形成高电阻值达限制电源电路输出电流状态，而如此即可对电路产生所需之保护作用。

而在HBLED应用电路上，有时装置的高热状态可能仅是LED光源本身高热、散热不良造成，实际上LED灯泡可能并没有损坏，这时PPTC的另一个特性更能迎合此种产品使用问题。

PPTC可往覆使用特性 为产品提供更高应用价值

因PPTC可在元件高热、过流问题恢复正常一段时间后，本身会恢复原有低电阻状态，让驱动电路可以回复正常电路功能，保护电路在产品周边问题改善后，又可回复正常使用性能，达保护设计可重复使用之有利设计目的。

在HBLED制成产品上，如灯泡或汽车用车灯产品，在驱动电路增设PPTC保护元件，可以有效控制光源模块的运作元件温度，若元件或模块温度过高，PPTC随即作动限制电流输出，甚至极短时间将输出驱动电能限制在安全区域下，达到安全运行条件。待温度过高状况解除，PPTC与其电子电路即恢复正常，又可继续使用正常电路输出驱动相关元件。

因为要让PPTC元件作动，其元件运作为采热启动型态，因此PPTC元件的周围温动改变都会影响PPTC物理电气特性，随着HBLED元件周边温度持续增加，只要超过PPTC作动的温度(过电流)临界点，PPTC即呈现近似开路之高阻抗状态。

在HBLED光源设计方案方面，可利用PPTC元件搭配简易电路设计，即可设计具环境安全温度控制的产品驱动电路设计，而当环境高温问题状况解除后，只要电子元件不至于因高温而受损，均可在环境高温问题解除后让驱动电路回复正常运作状态。

利用PPTC可往覆应用的过电流安全保护设计，达到低成本、快速反应HBLED高温之安全电路设计，形成接近传统保险丝之高温保护设计概念，但却具备装置回复常温、电子电路同时恢复正常运行状态的多重复用优势。利用PPTC电力控制安全设计方案导入，除可以让HBLED的应用安全大幅提升，利用简易的安全电路设计，也可在简化电源驱动电路的同时，达到有效改善驱动电路安全设计的目的。