LED燈具失效分析及電路保護(hù)措施

　　LED燈具損壞的原因

　　LED燈具失效一是來(lái)源于電源和驅(qū)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(qū)動(dòng)的損壞來(lái)自于輸入電源的過(guò)電沖擊(EOS)以及負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過(guò)電沖擊往往會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)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(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)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(shù)據(jù)手冊(cè)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(xù)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(duì)于汽車(chē)中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負(fù)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(dǎo)致焊接線損壞，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(dǎo)致焊接線燒斷外，還可能導(dǎo)致靠近焊接線的其他部分損壞，例如密封材料。

　　圖1：LED焊接線燒斷損壞。

　　2.靜電放電事件

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

　　LED PN結(jié)陣列性能將出現(xiàn)降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導(dǎo)致的LED芯片的內(nèi)部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴(yán)重的話也會(huì)導(dǎo)致LED永久損壞。

　　圖2：LED部分PN結(jié)損壞。

　　對(duì)于接近80%能量都轉(zhuǎn)化為熱量的LED照明設(shè)計(jì)而言，熱管理和故障過(guò)熱保護(hù)是其面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。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(jié)工作溫度緊密相關(guān)。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)溫升高10℃，光通量就會(huì)衰減1%，LED的壽命就會(huì)減少50%。

　　電源及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)

　　由于LED電源和驅(qū)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護(hù)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(xiàn)交流電源的過(guò)流和短路保護(hù)，ROV用于過(guò)電沖擊和浪涌保護(hù)。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過(guò)壓過(guò)流綜合保護(hù)元件，LED燈串中的表面貼系列則是實(shí)現(xiàn)負(fù)載過(guò)流或斷路故障保護(hù)(圖3)。

　　圖3：LED燈具電源及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)設(shè)計(jì)。

　　PPTC在LED照明中的過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)

　　雖然許多高端LED驅(qū)動(dòng)器件逐漸集成了過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)功能，但在許多場(chǎng)合，特別是過(guò)熱保護(hù)方面，仍然需要分立元器件方案作為協(xié)同保護(hù)方案，以使燈具具有更高的可靠性和更長(zhǎng)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(dǎo)電粒子等構(gòu)成，經(jīng)過(guò)特殊加工后，導(dǎo)電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)電粒子所構(gòu)成的導(dǎo)電通路，PPTC呈高阻狀態(tài)。當(dāng)電路中過(guò)電流(超溫狀態(tài))排除后，聚合物冷卻，體積恢復(fù)正常，其中導(dǎo)電粒子又重新構(gòu)成導(dǎo)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(fù)使用，實(shí)現(xiàn)了電路保護(hù)的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)恢復(fù)。

　　在LED照明中，根據(jù)燈具應(yīng)用場(chǎng)合的不同有不同的過(guò)熱保護(hù)方式，通常分為兩種。一種方式是達(dá)到規(guī)定溫度立即啟動(dòng)關(guān)斷保護(hù)(圖4)，此種保護(hù)通常應(yīng)用于道路交通信號(hào)燈。另一種方式是到一定溫度啟動(dòng)保護(hù)，進(jìn)行降電流驅(qū)動(dòng)(圖5)，此種保護(hù)通常應(yīng)用于室內(nèi)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(tǒng)的過(guò)流、過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)。

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

　　泰科電子針對(duì)LED照明應(yīng)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(hù)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)、配置，可以分別以關(guān)斷或調(diào)暗的方式對(duì)LED燈具進(jìn)行保護(hù)。

　　串并聯(lián)相結(jié)合的巨型陣列照明或景觀燈的過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)在成本與保護(hù)方案的相互平衡中，通常有兩種保護(hù)方案可以采用。一是分路保護(hù)(圖6)：對(duì)多串的LED系統(tǒng)，可以在每隔支路上串聯(lián)一顆PPTC分別進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是可以實(shí)現(xiàn)精確保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟骋恢返墓收隙鴮?dǎo)致整個(gè)燈具的不工作，保護(hù)的可靠性好。二是主干路保護(hù)(圖7)：這種保護(hù)就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC，對(duì)整個(gè)燈具進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是成本低，占板面積小。

　　圖6：LED陣列分路保護(hù)方案

　　圖7：LED陣列主干路保護(hù)方案。

　　此外，PPTC可以作為溫度傳感器與LED驅(qū)動(dòng)器配合使用，實(shí)現(xiàn)LED陣列照明的過(guò)熱保護(hù)(圖8)，在大型陣列照明中，由于LED燈串眾多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)過(guò)熱故障的位置，往往并不固定于某個(gè)特定的位置，因此單顆過(guò)熱檢測(cè)器件很難提供完善的過(guò)熱保護(hù)。PPTC在正常工作下的低電阻以及正溫度系數(shù)特性，可以方便地將數(shù)顆PPTC串聯(lián)于熱保護(hù)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)過(guò)熱監(jiān)控。將多個(gè)PPTC串聯(lián)、并安裝于可能出現(xiàn)過(guò)熱的部位。由于PPTC的低電阻，THRM引腳電平為0，電源電路正常工作。當(dāng)燈具某處或多處發(fā)生過(guò)溫故障時(shí)，THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱，電阻急劇上升，THRM引腳電平變?yōu)楦唠娖?，從而啟?dòng)LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的過(guò)熱保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱關(guān)斷或過(guò)熱折減驅(qū)動(dòng)。這種解決方案對(duì)LED面光源的過(guò)熱保護(hù)而言經(jīng)濟(jì)有效。泰科電子可以為客戶(hù)提供相關(guān)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證服務(wù)。

　　圖8：PPTC多熱點(diǎn)過(guò)熱保護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)。

　　本文小結(jié)

　　PPTC由于其本身的諸多特點(diǎn)，非常適合于LED照明系統(tǒng)的過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，在設(shè)計(jì)中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實(shí)現(xiàn)最好的熱傳導(dǎo)，使PPTC保護(hù)更加及時(shí)、有效。此外，PPTC產(chǎn)品的封裝形式多樣，能根據(jù)客戶(hù)要求定制封裝，靈活性很強(qiáng)。但過(guò)熱保護(hù)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)解決方案，具體設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際燈具，并進(jìn)行充分驗(yàn)證。泰科電子愿意與業(yè)內(nèi)工程師一起，根據(jù)實(shí)際情況研究解決方案，降低LED照明系統(tǒng)的故障率和維護(hù)成本。