LED凈化燈具失效分析及其電路保護措施

  LED凈化燈具損壞的原因

　　LED凈化燈具失效一是來(lái)源于電源和驅動(dòng)的失效，二是來(lái)源于LED器件本身的失效。通常LED電源和驅動(dòng)的損壞來(lái)自于輸入電源的過(guò)電沖擊(EOS)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過(guò)電沖擊往往會(huì )造成驅動(dòng)電路中驅動(dòng)芯片的損壞，以及電容等被動(dòng)元件發(fā)生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動(dòng)電路的過(guò)電流驅動(dòng)，驅動(dòng)電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導致的過(guò)熱損壞。LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。

　　1.瞬態(tài)過(guò)流事件

　　瞬態(tài)過(guò)流事件是指流過(guò)LED的電流超過(guò)該LED技術(shù)數據手冊中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產(chǎn)生也可能是由高電壓間接產(chǎn)生，如瞬態(tài)雷擊、開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)噪聲、電網(wǎng)波動(dòng)等過(guò)壓事件引起的過(guò)流。這些事件都是瞬態(tài)的，持續時(shí)間極短，通常我們將其稱(chēng)為尖峰，如“電流尖峰”、“電壓尖峰”。造成瞬態(tài)過(guò)流事件的情況還包括LED接通電源，或是帶電插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)電流。

　　對于汽車(chē)中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負載浪涌沖擊則是其正常工作的一個(gè)重要威脅。

　　LED遭受過(guò)電沖擊后的失效模式并非固定，但通常會(huì )導致焊接線(xiàn)損壞，如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬態(tài)過(guò)電流引起。除了導致焊接線(xiàn)燒斷外，還可能導致靠近焊接線(xiàn)的其他部分損壞，例如密封材料。

　　

 

 

　　圖1：LED凈化燈焊接線(xiàn)燒斷損壞。

　　2.靜電放電事件

　　靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導體器件制造、運輸和應用中最為常見(jiàn)的一種瞬態(tài)過(guò)壓危害，而LED照明系統則須滿(mǎn)足IEC61000-4-2標準的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電，以防止系統在靜電放電時(shí)有可能導致的過(guò)電沖擊失效。

　　LED PN結陣列性能將出現降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導致的LED芯片的內部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴重的話(huà)也會(huì )導致LED永久損壞。

　　

　　圖2：LED部分PN結損壞。

對于接近80%能量都轉化為熱量的LED照明設計而言，熱管理和故障過(guò)熱保護是其面臨的一個(gè)挑戰。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明，LED的性能和壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關(guān)。當LED芯片內結溫升高10℃，光通量就會(huì )衰減1%，LED凈化燈的壽命就會(huì )減少50%。

　　電源及驅動(dòng)電路的保護

　　由于LED電源和驅動(dòng)電路容易遭受過(guò)電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅動(dòng)電路設計中要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護措施，以提高電路的可靠性，從而降低返修率。泰科電子的LVR系列PTC可以實(shí)現交流電源的過(guò)流和短路保護，ROV用于過(guò)電沖擊和浪涌保護。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過(guò)壓過(guò)流綜合保護元件，LED凈化燈燈珠串中的表面貼系列則是實(shí)現負載過(guò)流或斷路故障保護(圖3)。

　　

 

 

　　圖3：LED燈具電源及驅動(dòng)電路的保護設計。

PPTC在LED照明中的過(guò)流和過(guò)熱保護

 

　　雖然許多高端LED驅動(dòng)器件逐漸集成了過(guò)流、過(guò)熱等保護功能，但在許多場(chǎng)合，特別是過(guò)熱保護方面，仍然需要分立元器件方案作為協(xié)同保護方案，以使燈具具有更高的可靠性和更長(cháng)的壽命。

　　PPTC是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻，是由聚合物與導電粒子等構成，經(jīng)過(guò)特殊加工后，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過(guò)(或元件處于正常環(huán)境溫度)時(shí)，PPTC呈低阻狀態(tài)。當電路中有異常過(guò)電流通過(guò)(或環(huán)境溫度升高)時(shí)，大電流(或環(huán)境溫度升高)所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導電粒子所構成的導電通路，PPTC呈高阻狀態(tài)。當電路中過(guò)電流(超溫狀態(tài))排除后，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，PPTC又呈初始的低阻狀態(tài)。PPTC的體積小，成本低，可反復使用，實(shí)現了電路保護的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)恢復。

　　在LED照明中，根據燈具應用場(chǎng)合的不同有不同的過(guò)熱保護方式，通常分為兩種。一種方式是達到規定溫度立即啟動(dòng)關(guān)斷保護(圖4)，此種保護通常應用于道路交通信號燈。另一種方式是到一定溫度啟動(dòng)保護，進(jìn)行降電流驅動(dòng)(圖5)，此種保護通常應用于室內照明和道路照明。

　　圖4：泰科LVR系列產(chǎn)品用于交流LED照明系統的過(guò)流、過(guò)溫關(guān)斷保護。

　　圖5：泰科LVR系列產(chǎn)品用于交流LED照明系統的過(guò)流、過(guò)溫降電流保護。

　　泰科電子針對LED照明應用開(kāi)發(fā)了一款PolySwitch產(chǎn)品。該產(chǎn)品在環(huán)境溫度65℃下可以保證350mA電流正常通過(guò)，可在環(huán)境溫度超過(guò)85℃時(shí)進(jìn)行保護，通過(guò)合理設計、配置，可以分別以關(guān)斷或調暗的方式對LED燈具進(jìn)行保護。

　　串并聯(lián)相結合的巨型陣列照明或景觀(guān)燈的過(guò)流和過(guò)熱保護在成本與保護方案的相互平衡中，通常有兩種保護方案可以采用。一是分路保護(圖6)：對多串的LED系統，可以在每隔支路上串聯(lián)一顆PPTC分別進(jìn)行保護。這種方式的好處是可以實(shí)現精確保護，不會(huì )因為某一支路的故障而導致整個(gè)燈具的不工作，保護的可靠性好。二是主干路保護(圖7)：這種保護就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC，對整個(gè)燈具進(jìn)行保護。這種方式的好處是成本低，占板面積小。

　　

 

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