LED照明系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方案

有幾個因素會影響電子設(shè)計中的固態(tài)照明，從應(yīng)力問題到與封裝相關(guān)的問題再到與組件相關(guān)的問題。設(shè)計工程師必須考慮這些因素。有五個主要威脅會影響電子設(shè)計中 LED 照明系統(tǒng)的可靠性：

靜電放電 (ESD) 事件，包括閃電

瞬態(tài)過流事件和浪涌

熱插拔期間的電流和電壓尖峰

反向電壓效應(yīng)

過溫保護

為了使 LED 照明系統(tǒng)可靠，所有組件和子系統(tǒng)都必須得到有效保護，以防止在組裝、維護和操作過程中遇到的這些危險。高性能 ESD 和過溫保護可以防止這些危險，從而延長 LED 照明系統(tǒng)的使用壽命、降低維護成本并提高可靠性。使用高質(zhì)量的保護 ESD 和過熱元件為 LED 陣列、它們的電源和控制電路提供有效且具有成本效益的保護。

LED 系統(tǒng)概覽

LED 燈泡——或者更專業(yè)地說，燈具——由三個基本子系統(tǒng)組成：LED 電源、與電網(wǎng)的電源輸入連接和 LED 引擎。LED 引擎可以進一步細分為 LED 陣列、LED 驅(qū)動器和控制單元。

在過去的幾年里，智能 LED 燈具由于包括遠程控制和維護在內(nèi)的功能而廣受歡迎。正因為如此，第四個子系統(tǒng)——通信電源和接口——也經(jīng)常集成到燈具中。這允許部署智能聯(lián)網(wǎng)照明系統(tǒng)，最大限度地提高照明效率和質(zhì)量，并幫助設(shè)施管理人員了解每個燈具的維護狀態(tài)。

圖 1： 展示過壓和過溫保護裝置的基本 LED 照明系統(tǒng)架構(gòu)

隨著 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的成熟，工程師們意識到他們需要一種方法來防止 ESD 事件和高能量浪涌影響燈具并確保系統(tǒng)可靠性。這些浪涌會導(dǎo)致立即失效（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)中的每一個都可能受到導(dǎo)致此類損害的事件的影響。當工程師審查可能事件的能量水平時，他們可以確定需要哪些合適的保護設(shè)備。

高能浪涌

壓敏電阻，也稱為壓敏電阻，長期以來一直是過壓保護的首選解決方案。這是因為電阻隨施加的電壓而變化。工程師應(yīng)選擇能夠承受最終應(yīng)用條件的壓敏電阻。

以電源保護為例。金屬氧化物壓敏電阻特別適合保護 LED 照明系統(tǒng)的電源免受更大的高能浪涌的影響。該設(shè)計可以指定具有緊湊設(shè)計的壓敏電阻，或者提供針對雷擊等大型 ESD 事件的保護。而且，由于元件的苛刻性和維護成本，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，避雷器與壓敏電阻相結(jié)合提供了一種節(jié)省空間的集成解決方案，具有最理想的性能。

在電源輸入連接中，由與熱耦合保險絲串聯(lián)的盤式壓敏電阻組成的單個封裝最適合提供所需的保護。在這種情況下，如果壓敏電阻過熱，封裝在塑料外殼中的熱熔斷器會將壓敏電阻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

瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管多年來一直用于保護電路免受低于 25 焦耳的低壓 ESD 事件的影響。然而，與傳統(tǒng) TVS 二極管相比，多層壓敏電阻具有重要優(yōu)勢。其中包括更微型的尺寸和插入高度、更可靠的性能、更快的響應(yīng)時間以及在寬溫度范圍內(nèi)更好的整體操作。此外，TVS 二極管可以有效地滿足與元件尺寸相關(guān)的吸收要求。

圖 2：用于防止 ESD 事件的專用或非標準組件示例

LED 引擎可以由數(shù)百個 LED 組成，這些 LED 通常是串聯(lián)連接的燈串、并聯(lián)連接的燈串或兩者的組合。如果串聯(lián)串中的一個 LED 發(fā)生故障，則整個系列都將發(fā)生故障。這是因為串聯(lián)連接的 LED 燈串會導(dǎo)致天線效應(yīng)，從而使陣列對 ESD 事件更加敏感。多層壓敏電阻可以提供針對此類事件的保護。

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被重新配置、移動、更換和離線進行維護。因此，熱插拔是一種常見做法，熱插拔會導(dǎo)致 ESD 事件和低壓尖峰。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 ESD 保護的首選。這種二極管將確保設(shè)備在其指定的使用壽命內(nèi)保持完全功能。

二極管與壓敏電阻

二極管和壓敏電阻旨在滿足許多應(yīng)用的獨特設(shè)計挑戰(zhàn)。這些解決方案通常堅固耐用，占用空間小得多，或者旨在防止某些類型的浪涌電流。

例如，TDK 的 EPCOS CeraDiode 旨在以比 TVS 二極管更好的速率吸收高能量，并且占用空間更小。該產(chǎn)品 80% 的元件體積用于吸收能量 ESD 事件，優(yōu)于標準 TVS 二極管的 30% - 并且具有相同的性能。因此，如果非標準部件有助于最大限度地減少空間需求并提供相同或改進的性能，則應(yīng)考慮它們。這在需要小型化、可靠保護和高性能的應(yīng)用中尤為重要。

另一個例子是多層壓敏電阻提供的針對 ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護。典型的 TVS 二極管本質(zhì)上是單向的，因此必須設(shè)計成兩個二極管。但是，壓敏電阻作為具有相同保護的單個組件提供雙向保護。在這種情況下，壓敏電阻將為設(shè)計提供尺寸和成本優(yōu)勢。

其他壓敏電阻在較高溫度下提供可靠的性能。典型的 TVS 二極管在室溫下開始降額，這遠低于許多應(yīng)用所需的溫度，因此選擇能夠在非常大的溫度范圍內(nèi)可靠工作的壓敏電阻至關(guān)重要，從而限制由溫度波動引起的故障。

溫度保護

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。由于 LED 需要恒定電流來提供不間斷的亮度，因此它們的溫度必須精確控制在狹窄的范圍內(nèi)。熱敏電阻或熱敏電阻是用于測量溫度的準確且經(jīng)濟高效的傳感器。

熱敏電阻是一種電阻受溫度控制的器件。熱敏電阻有兩種類型：NTC熱敏電阻和PTC熱敏電阻。在 NTC 熱敏電阻或負溫度系數(shù)熱敏電阻中，電阻隨溫度升高而降低。在 PTC 熱敏電阻或正溫度系數(shù)熱敏電阻中，電阻隨溫度升高而增加。

圖 3：沒有 IC 的溫度補償 LED 驅(qū)動器

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，并有助于以峰值流明效率控制其溫度曲線。這是通過自動調(diào)整 LED 的電流來執(zhí)行的。與智能電路一起，它們可以實現(xiàn)有效的控制系統(tǒng)。

在沒有集成電路的溫度補償 LED 驅(qū)動器設(shè)計中，PTC 熱敏電阻可以通過將它們與 LED 串聯(lián)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。

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器件來越來越多地防止影響 LED 可靠性的高低能量浪涌和 ESD 事件。此外，他們還可以計劃其應(yīng)用所需的適當溫度保護，從而以非常實際的方式保持燈亮。

　　審核編輯：湯梓紅