發(fā)光二極管(LED)是一種易碎的裝置，容易受到熱、機械沖擊、靜電放電及閃電的威脅，特別是在室外應用時(shí)。由于照明及背光顯示的LED燈串使用的增加，需要研發(fā)工程師對LED串的可靠性給予更多關(guān)注。高亮度的LED，因其藍寶石基板，對鄰近的雷擊閃電攻擊造成的電壓瞬變非常敏感。即使是在家庭應用，LED串仍需要靜電放電(ESD)保護裝置，以確保整個(gè)組件長(cháng)期、可靠的運行。在缺少這種保護的條件下，如果串聯(lián)中的一個(gè)LED出現故障，并斷開(kāi)電路，所有其他的LED燈將關(guān)閉。
LED照明系統保護
很多的保護裝置可以用于電源與LED驅動(dòng)，且有許多出版物可以對選擇提供指導。圖1中的電路是演示LED路燈照明系統中的開(kāi)關(guān)電源保護的舉例。在該電路中，交流電熔斷器提供了基本的防火保護，以應對可能造成過(guò)流條件的主要系統故障，但是必須能夠容忍3KA至6KA以上的浪涌，而不出現斷路。在下游組件出現故障的情況下，直流熔斷器可用于直流-直流轉換器或LED驅動(dòng)電路中的快速過(guò)流保護。
圖1：LED街道照明電路舉例，包括與開(kāi)關(guān)電源(SMPS)相關(guān)的保護裝置。
在電路的交流電輸入側，還需要處理過(guò)壓事件與電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊造成的，但也可能通過(guò)電力線(xiàn)上的瞬間狀態(tài)變化產(chǎn)生。用于過(guò)壓條件的典型保護裝置是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，可以與瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)相結合。用于電源保護的電路還需要與地面隔離，防止可能的電擊危險(這些規格都包含在IEC/UL 60950-1, UL 1449與IEC/UL 6500)。圖2顯示了達到這些要求的解決方案。該設計結合了含有瞬態(tài)電壓抑制器的金屬氧化物壓敏電阻。
圖2：用于LED照明的電源輸入過(guò)壓保護方案舉例。
此外，也應考慮把過(guò)壓保護用于LED驅動(dòng)芯片。適當的去耦電容器，連同為線(xiàn)路驅動(dòng)器額定電源電壓的TVS裝置，將提供一個(gè)非常穩定的設計。一些LED驅動(dòng)器制造商把感知開(kāi)路LED串的電路列入，但該電路不應與保護串的電路相混淆，或如果LED出現故障，要保持LED串處于運行狀態(tài)。
單個(gè)LED保護
LED串內部(圖3)的旁路保護裝置，可以使該串在單個(gè)LED出現故障斷開(kāi)時(shí)，繼續運行。通過(guò)限制整個(gè)LED串上的任何過(guò)剩電流或電壓，有助于保護LED驅動(dòng)器。
圖3：使用適當旁路保護裝置保護LED串中的單個(gè)LED，不僅能夠保持LED串仍舊能夠照明，而且也有助于保護LED驅動(dòng)器免受過(guò)電流與過(guò)電壓(可能因LED故障造成)。
當提到保護單個(gè)LED時(shí)，在LED串內部需要安裝串聯(lián)電路的支路，選擇正確的保護裝置是至關(guān)重要的。這要求理解潛在的LED故障機理及不同類(lèi)型保護裝置的工作原理。這種理解有助于電路設計者選擇合適的裝置，包括有一個(gè)LED因斷路原因出現故障時(shí)，能夠保持系列LED串仍舊運行的裝置。
LED控制與故障模式：
串聯(lián)的LED串由恒定電流驅動(dòng)，該恒定電流由把串聯(lián)LED串驅動(dòng)為充分亮度、顏色與強度的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生。該恒流電流源提供了對LED組亮度的更好控制以及更均勻的LED組亮度。LED是一種易碎的固態(tài)器件，本質(zhì)上是二極管，構造為P-N結，在正向偏壓時(shí)，能夠發(fā)光。主要的LED失效機理本質(zhì)上是機械與熱力，包括熱循環(huán)、熱沖擊及在高溫下(可能造成絲焊老化與故障)運行的LED。由于金屬會(huì )發(fā)生氧化，且隨著(zhù)時(shí)間推移會(huì )變脆，LED發(fā)生故障的可能性會(huì )增加。ESD事件或附近雷擊造成的電涌是LED發(fā)生故障的另一個(gè)常見(jiàn)原因。
保護裝置選擇的電路參數：
選擇LED保護裝置中的主要參數是單個(gè)LED額定電流與額定功率，正向工作電壓及LED驅動(dòng)器恒流輸出電壓。典型高亮度LED額定功率在1瓦特與3瓦特之間。額定功率上的高亮度LED最大電流消耗可以通過(guò)以下公式簡(jiǎn)單確定：
其中I是電流，P是LED額定功率，VF是LED正向電壓。LED在不同的額定功率范圍內都可供使用，因此這些值相應地有所不同。同時(shí)，發(fā)射不同波長(cháng)(顏色)的LED有不同的電壓降。例如，與白色LED相比，紅色LED通常有更低的VF，會(huì )消耗更多電流。主要的可靠性問(wèn)題是，如果一個(gè)高亮度LED出現故障，形成開(kāi)路，高亮度LED串如何連續操作。在需要高可靠性光源的應用中，這個(gè)問(wèn)題是至關(guān)重要的。
許多戶(hù)外應用位于離開(kāi)地面的位置，因此，一個(gè)小的事故就會(huì )變成一個(gè)大的問(wèn)題。串聯(lián)中，單個(gè)高亮度LED開(kāi)路故障可能導致重大費用與不便，原因是必須對整個(gè)裝配進(jìn)行維修。
潛在的LED旁路保護裝置分析
為了保護單個(gè)高亮度LED，并防止整個(gè)高亮度LED串聯(lián)串在單個(gè)高亮度LED出現故障時(shí)熄滅，在高亮度LED終端必須安裝旁路保護裝置。有許多裝置可以考慮，包括壓敏電阻、可控硅整流器、穩壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開(kāi)路保護器。
壓敏電阻：
這些裝置最適合于相對高能的電源線(xiàn)路瞬變，特別是雷擊及大型電感負荷轉換造成的瞬變。很遺憾，這些裝置不能作出快速反應，無(wú)法保護LED免受低級別瞬變(可能造成LED故障)的危害。除該缺點(diǎn)外，如果LED出現故障形成開(kāi)路，壓敏電阻不能為電流提供路徑，因此整個(gè)LED串將關(guān)閉。壓敏電阻產(chǎn)生的熱對發(fā)光二極管也可能是一個(gè)問(wèn)題。
可控硅整流器：
在出現故障的發(fā)光二極管附近，可控硅整流器可按路徑發(fā)送電流，以保持LED串的其余部分發(fā)光。但是，這些裝置是一些大型裝置，它們通常需要電阻式分壓，以設置觸發(fā)電壓。不同溫度上，可控硅整流器觸發(fā)電壓的變化可能會(huì )非常大。此外，反向阻斷電壓太高，因此，可控硅整流器不能提供反極性保護。
穩壓二極管：
盡管穩壓二極管通常比可控硅整流器小得多，但仍舊存在其他問(wèn)題。當一個(gè)LED出現故障形成開(kāi)路時(shí)，穩壓二極管必須引導串聯(lián)燈串中的所有電流。大部分穩壓二極管有相對較低的電流額定值，因此它們的壽命在該種類(lèi)型的應用中比較短。穩壓二極管也會(huì )引起微環(huán)境熱事件，該事件可能會(huì )導致進(jìn)一步的LED故障。
高分子聚合物ESD保護器：
通常這些設備是專(zhuān)用于高速數字電路，不是用于直流線(xiàn)路的保護，與LED串的情況一樣。與硅裝置相比，它們有較高的動(dòng)態(tài)電阻，因此它們的鉗位電壓太高，不能保護易碎的LED。此外，它們不能提供過(guò)載保護，也不能提供反極性保護。
LED開(kāi)路保護器：
這些裝置是特別設計用于保持串聯(lián)LED燈串的其余部分，在一個(gè)LED出現故障時(shí)，仍能夠正常運轉。它們是緊湊的硅基裝置，安裝在每個(gè)LED終端。作為旁路裝置，它們能夠在開(kāi)路LED周?chē)�，按路徑發(fā)送電流，保持LED串的其余部分仍能夠照明。一些LED開(kāi)路保護器還提供靜電放電/照明及反極性保護，這樣可以減少照明電路成本，消除對附加保護組件的需求。
LED開(kāi)路保護器運作
LED開(kāi)路保護器是安裝在LED上內部觸發(fā)的兩個(gè)終端裝置，如果LED自身修復或被更換，它會(huì )自動(dòng)重置。這種保護器是電壓觸發(fā)開(kāi)關(guān)，漏電量低，與微安開(kāi)關(guān)相似，當它被觸發(fā)時(shí)(圖3)，就變成低阻抗的微安開(kāi)關(guān)，可最大限度地減少功率消耗。通路狀態(tài)的LED下降約0.7V，這并不足以打開(kāi)保護器裝置。一旦有一個(gè)LED出現故障形成開(kāi)路，有足夠的電路電壓來(lái)觸發(fā)保護器至通路狀態(tài)(恒流輸出電壓由LED驅動(dòng)電路提供)。圖3中描述的PLED6系列也是以?xún)戎每估擞繛樘卣鞯�，有助于保護LED免受附近雷擊或靜電放電事件引發(fā)的浪涌。
圖4：典型的LED開(kāi)路保護器 V-I 特征。
拿Littelfuse PLED6系列裝置作為典型LED開(kāi)路保護器為例，圖4顯示了關(guān)鍵的參數為VBR，IS，IH，IT與VT。如V-I曲線(xiàn)所示，VBR定義了該裝置的斷開(kāi)電壓額定值至擊穿電壓額定值之間的區域。在斷開(kāi)狀態(tài)下，VBR是可以應用于該裝置的直流與交流電壓的連續峰值組合，這導致了通過(guò)該裝置的電流小于5μA(從6至33V DC的各類(lèi)最低VBR額定值都是可行的)。IS是電流值，當應用最低VBR時(shí)，它可導致裝置從斷開(kāi)狀態(tài)切換到通路狀態(tài)。通常，IS最大值為100mA。吸持電流(IH)是維持裝置處于通路狀態(tài)時(shí)的最低電流需求(通常為5mA)。通路狀態(tài)電壓(VT)是全傳導期間穿過(guò)裝置的最大電壓。IT是在通路狀態(tài)下，兩秒內可以通過(guò)裝置的最大電流額定值(最大值為1A)。通常，LED串電流要遠低于該值，這樣可使得LED開(kāi)路保護器繼續保持下去。
理想情況下，在LED開(kāi)路保護方案中，每個(gè)LED都有一個(gè)保護裝置。但是，“預算”保護方案可能發(fā)揮作用。例如，當選擇適當的LED開(kāi)路裝置時(shí)，可以在串聯(lián)中的兩個(gè)LED上安裝一個(gè)PLED。一個(gè)LED故障會(huì )導致兩個(gè)LED變暗，但這削減了一半的保護成本。
結論
照明設備制造商正在向生產(chǎn)LED進(jìn)行轉型，因為L(cháng)ED設備成本低，性能高，維護少，并且它們的壽命可持續數萬(wàn)小時(shí)。但是，它們仍然需要防靜電保護，尤其是在高可靠性應用方面，例如，在惡劣環(huán)境中布署的安全關(guān)鍵照明設備。事實(shí)上，與傳統照明設備相比，戶(hù)外LED照明設備具有不可靠性，除非設計師增加了適當的電路保護，以防止最嚴重的過(guò)壓情況出現。
第一道防線(xiàn)是良好的電路保護方案，把輸入電源延伸至各個(gè)LED。LED開(kāi)路保護裝置可以應對重大的超電壓瞬變，當一個(gè)LED發(fā)生故障形成開(kāi)路時(shí)，保持串聯(lián)的其他LED仍舊可以照明。盡管這樣的保護是有益的，但它仍然只是總保護方案的一部分，總保護方案應包括保護開(kāi)關(guān)式電源與LED驅動(dòng)器的熔斷器、MOV與TVS裝置。 |
