保持燈亮：LED照明系統(tǒng)ESD和熱保護(hù)

LED 照明系統(tǒng)的質(zhì)量自發(fā)明以來一直是一個問題，這也是它們早期未被用作家用照明系統(tǒng)的原因之一。近年來，全球 LED 燈的安裝量呈指數(shù)級增長，這主要歸功于 LED 照明的承諾：長壽命、高能效和節(jié)約成本。美國能源部網(wǎng)站稱，LED 燈泡的使用壽命是傳統(tǒng)燈泡的 25 倍以上。盡管 2012 年美國安裝了超過 5000 萬盞 LED 燈，但許多 LED 在短短幾個月內(nèi)就失效，引起了消費(fèi)者的憤怒。

2013 年，由于 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，第一個 LED 燈泡獲得了能源之星認(rèn)證。獲得能源之星認(rèn)證的 LED 燈泡意味著該系統(tǒng)已滿足可靠性、性能和節(jié)能要求——這是一個巨大的要求轉(zhuǎn)變。

工程師如何能夠滿足能源之星認(rèn)證要求并克服過去阻礙 LED 系統(tǒng)的許多障礙？隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)裝置能夠更好地抵御 LED 照明系統(tǒng)性能和可靠性的主要威脅。通過確定最適合應(yīng)用要求的保護(hù)器件并將其集成到 LED 設(shè)計中，工程師能夠抵消對 LED 系統(tǒng)的威脅，例如靜電放電 (ESD) 和熱問題。讓我們來看看使用高質(zhì)量的保護(hù)器件——尤其是二極管、變阻器和熱敏電阻——如何有助于提高 LED 的可靠性、性能、能效和成本節(jié)約，進(jìn)而，

LED 系統(tǒng)概述

LED 燈泡（或更專業(yè)地說，燈具）由三個基本子系統(tǒng)組成：LED 電源、電網(wǎng)電源輸入連接和 LED 引擎。LED 引擎可以進(jìn)一步細(xì)分為 LED 陣列、LED 驅(qū)動器和控制單元。

在過去幾年中，智能 LED 燈具由于具有遠(yuǎn)程控制和維護(hù)等功能而受到歡迎。因此，第四個子系統(tǒng)——通信電源和接口——通常集成到燈具中。該設(shè)計允許客戶部署智能網(wǎng)絡(luò)照明系統(tǒng)，最大限度地提高照明效率和質(zhì)量，并跟蹤每個燈具的狀態(tài)以進(jìn)行維護(hù)。

影響 LED 質(zhì)量的因素

有幾個因素會影響固態(tài)照明，包括應(yīng)力、封裝相關(guān)和組件相關(guān)問題。設(shè)計和制造 LED 照明系統(tǒng)的公司必須考慮這些因素。影響 LED 照明系統(tǒng)可靠性的主要威脅有五個：

靜電放電 (ESD) 事件，包括閃電

瞬態(tài)過流和浪涌

熱插拔期間的電流和電壓尖峰

反向電壓效應(yīng)

熱問題，例如長時間在高溫下運(yùn)行

為使 LED 照明系統(tǒng)可靠，所有組件和子系統(tǒng)都必須在組裝、維護(hù)和操作期間得到充分保護(hù)，免受這些危險。

LED保護(hù)解決方案

隨著 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的成熟，工程師們開始將高質(zhì)量的保護(hù)器件集成到他們的 LED 設(shè)計中，以防止高能量和低能量浪涌、ESD 事件和熱應(yīng)力對 LED 陣列、它們的電源和控制電路產(chǎn)生不利影響。這些保護(hù)裝置的集成使 LED 照明系統(tǒng)具有更高的可靠性、更低的維護(hù)成本和更長的產(chǎn)品使用壽命。

通過評估 LED 設(shè)計的應(yīng)用要求，工程師可以確定最合適的保護(hù)器件來提高 LED 的性能和可靠性。圖 1顯示了工程師如何在 LED 燈具的系統(tǒng)架構(gòu)中使用二極管、變阻器和熱敏電阻的示例。

圖 1：帶有 ESD 和熱保護(hù)裝置的基本 LED 照明系統(tǒng)架構(gòu)。（來源：TDK 公司）

二極管和變阻器

二極管和壓敏電阻器（也稱為變阻器）的開發(fā)旨在應(yīng)對許多應(yīng)用的獨特設(shè)計挑戰(zhàn)。這些解決方案通常堅固耐用，占地面積小得多，并且可以防止某些類型的浪涌電流。

TDK Corporation 的 EPCOS CeraDiode? 設(shè)計用于以比瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管更好的速率吸收高能量，并且占位面積更小（圖 2）。該產(chǎn)品 80% 的元件體積用于吸收能量 ESD 事件，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) TVS 二極管的 30%，并且具有相同的性能。因此，如果非標(biāo)準(zhǔn)部件有助于最大限度地減少空間需求并提供相同或改進(jìn)的性能，則應(yīng)予以考慮。這在需要小型化、可靠保護(hù)和高性能的應(yīng)用中尤為重要。

圖 2：用于防止 ESD 事件的專用或非標(biāo)準(zhǔn)組件示例。（來源：TDK 公司）

熱敏電阻

熱敏電阻或熱敏電阻器是用于測量溫度的高精度傳感器。有兩種類型的熱敏電阻：

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 (NTC)

正溫度系數(shù)熱敏電阻 (PTC)

這兩種熱敏電阻的區(qū)別在于，NTC 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而降低，而 PTC 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而升高。

NTC 熱敏電阻采用表面貼裝設(shè)計 (SMD) 封裝，可防止 LED 陣列過熱，并有助于在峰值流明效率下控制其溫度曲線。NTC 熱敏電阻通過自動調(diào)節(jié) LED 的電流來提供熱保護(hù)。與智能電路一起，它們可以實現(xiàn)有效的控制系統(tǒng)（圖 3）。

圖 3：不帶 IC 的溫度補(bǔ)償 LED 驅(qū)動器示意圖。（來源： TDK 公司）

在沒有集成電路的溫度補(bǔ)償 LED 驅(qū)動器設(shè)計中，PTC 熱敏電阻可以通過將它們串聯(lián)到 LED 來降低正向電流的高溫。在這樣的設(shè)計中，大部分 LED 電流流經(jīng) PTC 熱敏電阻。

發(fā)光二極管設(shè)計

工程師可以通過將保護(hù)器件集成到他們的設(shè)計中來防止對 LED 可靠性產(chǎn)生不利影響的因素。以下是一些示例，說明將保護(hù)器件集成到 LED 設(shè)計中如何抵消對 LED 照明系統(tǒng)的主要威脅。

靜電放電

LED 引擎可以由數(shù)百個 LED 組成，這些 LED 通常是串聯(lián)串、并聯(lián)串或兩者的組合。如果串聯(lián)燈串中的一個 LED 發(fā)生故障，則整個系列都會發(fā)生故障。這是因為串聯(lián)燈串中的 LED 會產(chǎn)生天線效應(yīng)，使陣列對 ESD 事件更加敏感。多層變阻器可以防止此類事件發(fā)生。

針對 ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護(hù)

多層變阻器是針對 ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護(hù)的絕佳選擇。典型的 TVS 二極管本質(zhì)上是單向的，因此有必要在兩個二極管中進(jìn)行設(shè)計。然而，壓敏電阻作為具有相同保護(hù)的單個元件提供雙向保護(hù)。在這種情況下，變阻器將為設(shè)計提供尺寸和成本優(yōu)勢。

高能浪涌

工程師意識到他們需要一種方法來防止 ESD 事件和高能浪涌影響燈具。這些浪涌會導(dǎo)致直接故障（通常在連接處）和潛在損壞導(dǎo)致的退化率增加。四個子系統(tǒng)中的每一個都可能暴露于導(dǎo)致此類損壞的事件。

壓敏電阻長期以來一直是過壓保護(hù)的首選解決方案。這是因為電阻隨施加的電壓而變化。工程師應(yīng)該選擇經(jīng)設(shè)計能夠滿足最終應(yīng)用條件的變阻器。

以電源的保護(hù)為例。金屬氧化物變阻器特別適合保護(hù) LED 照明系統(tǒng)的電源免受較大能量浪涌的影響。該設(shè)計可能會指定采用緊湊型設(shè)計的變阻器，或針對雷擊等大的 ESD 事件提供保護(hù)。由于元件的苛刻性和維護(hù)成本，為路燈設(shè)計的 LED 照明系統(tǒng)應(yīng)同時滿足 ANSI/IEEE C62.41.2 和 DOE MSSLC 模型規(guī)范的 LED 道路燈具。在這些情況下，電涌放電器與變阻器相結(jié)合可提供具有卓越性能的節(jié)省空間的集成解決方案。

在電源輸入連接中，由與熱耦合保險絲串聯(lián)的盤式變阻器組成的單一封裝最適合提供所需的保護(hù)。在這種情況下，如果變阻器過熱，封裝在塑料外殼中的熱熔斷器會將變阻器與電源電路斷開以防止火災(zāi)，從而安全地關(guān)閉系統(tǒng)。

低能量和 ESD 放電

TVS 二極管多年來一直用于保護(hù)電路免受低于 25J（焦耳）的低壓 ESD 事件的影響。然而，多層變阻器與傳統(tǒng) TVS 二極管相比具有顯著優(yōu)勢。其中包括許多微型尺寸和插入高度、更可靠的性能、更快的響應(yīng)時間以及在寬溫度范圍內(nèi)更好的整體運(yùn)行。工程師可以使用 TVS 二極管來滿足與元件尺寸相關(guān)的吸收要求。

電流和電壓尖峰

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被重新配置、移動、更換和離線維護(hù)。因此，熱插拔是一種常見的做法，而熱插拔會導(dǎo)致 ESD 事件和低電壓尖峰。具有極低寄生電容的多層壓敏電阻或 TVS 二極管是用于燈具控制的數(shù)據(jù)線的 ESD 保護(hù)的首選。這種二極管將確保設(shè)備在其指定的使用壽命內(nèi)保持完整的功能。

熱應(yīng)力

在大多數(shù)情況下，LED 照明系統(tǒng)的突然故障是由熱應(yīng)力引起的。LED 的溫度必須控制在狹窄的范圍內(nèi)，以提供不間斷的亮度。熱敏電阻提供了一種準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)高效的溫度測量方法。

保持燈亮

隨著 LED 技術(shù)的不斷成熟，設(shè)計工程師可以通過簡單地確定應(yīng)用所需的最合適的保護(hù)器件來越來越多地防止影響 LED 可靠性的高能和低能浪涌和 ESD 事件。此外，他們還可以規(guī)劃應(yīng)用中所需的適當(dāng)溫度保護(hù)，從而以非常真實的方式保持燈亮。

因此，它們將有助于實現(xiàn)美國能源部關(guān)于 LED 的使用壽命應(yīng)比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)長 25 倍的說法。

審核編輯：湯梓紅