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LED照明系統的過(guò)壓過(guò)流防護

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2014/10/14 10:05:00

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隨著(zhù)LED照明燈具的逐步發(fā)展，在亮化工程輔助照明等公共場(chǎng)合，LED照明燈具漸漸替代了一些傳統光源產(chǎn)品。在使用時(shí)間較長(cháng)的商業(yè)應用場(chǎng)所，LED燈具迅速成為市場(chǎng)的新寵，LED行業(yè)在近些年得到了較快發(fā)展。全球LED各應用領(lǐng)域中，通用照明和汽車(chē)照明領(lǐng)域為增速最快的市場(chǎng)，成為推動(dòng)未來(lái)LED市場(chǎng)規�？焖僭鲩L(cháng)重要驅動(dòng)因素。
1.智能照明:隨著(zhù)LED照明產(chǎn)品價(jià)格持續下降，LED照明市場(chǎng)迅速增長(cháng)。技術(shù)的進(jìn)步，也使得LED照明技術(shù)從最初的簡(jiǎn)單照明向智能照明發(fā)展。智能照明不僅可以實(shí)現照明系統的智能控制，同時(shí)也成為互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)入口，從而衍生更多高附加值的服務(wù)，例如健康管理、地圖定位、商品導購與廣告等。從傳統照明進(jìn)入智能照明，市場(chǎng)需求無(wú)疑是推動(dòng)這一舉動(dòng)的強大動(dòng)力。不可否認，智能照明發(fā)展是大勢所趨。
2.汽車(chē)照明：我國汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)2000萬(wàn)輛，已連續五年蟬聯(lián)全球第一，龐大的汽車(chē)市場(chǎng)帶動(dòng)著(zhù)相關(guān)汽車(chē)配件行業(yè)蓬勃發(fā)展，其中LED汽車(chē)照明市場(chǎng)的增長(cháng)更為快速，增長(cháng)幅度遠超汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的平均增速。截至2015年底，汽車(chē)照明需要完成二氧化碳的減排目標。作為公認的低碳環(huán)保照明的典型代表，LED有望納入汽車(chē)照明升級改造的范圍，由此意味著(zhù)百億、甚至于千億級的市場(chǎng)需求。
但由于LED使用環(huán)境的復雜性，人們在實(shí)際使用中LED往往容易壞，其實(shí)就是因為沒(méi)有考慮到LED的使用特性以及應有的保護。尤其是當LED是用在戶(hù)外時(shí)，其驅動(dòng)電路及燈珠非常容易遭受到過(guò)電壓和過(guò)電流的沖擊而造成故障或損壞，引發(fā)不必要的財產(chǎn)損失甚至是人員傷亡，因此在設計LED照明電路時(shí)必須要充分考慮并做好保護措施，從而提高電路的可靠性，降低故障發(fā)生率。瞬雷電子一直致力于這方面的研發(fā)，從產(chǎn)品研發(fā)到系統設計，無(wú)不傾心盡力。下面就LED 照明系統過(guò)壓過(guò)流干擾的故障現象、產(chǎn)生原因、解決辦法予以簡(jiǎn)單論述。

一．LED的過(guò)壓過(guò)流故障現象
當出現過(guò)壓過(guò)流干擾時(shí)，元件性能會(huì )減弱或損壞。LED 元件的過(guò)壓過(guò)流損壞與干擾能量的發(fā)生次數或持續時(shí)間長(cháng)短無(wú)關(guān)，因為任何一次過(guò)壓過(guò)流干擾都可能導致LED 損壞。這種損壞可以表現為器件立即失效，
也可能在發(fā)生過(guò)壓過(guò)流干擾后許久才失效。LED 芯片的小型化和LED燈具內部電器結構的復雜化正在使這一問(wèn)題變得更加嚴重。燈具內LED 芯片的過(guò)壓過(guò)流故障主要有以下兩種現象:
a芯片內部焊接線(xiàn)損壞
過(guò)壓過(guò)流干擾導致的第一種失效模式是LED 封裝內部的焊接線(xiàn)受損。這種損壞通常表現為接線(xiàn)燒斷。此外，過(guò)壓過(guò)流干擾還能導致靠近焊接線(xiàn)的其他材料（例如密封材料或熒光體）損壞。
b 芯片焊盤(pán)位置損壞
過(guò)壓過(guò)流干擾導致的另一種失效模式是LED 芯片本體靠近焊盤(pán)的位置受損。

二．LED 發(fā)生過(guò)壓過(guò)流干擾的主要原因
LED 芯片發(fā)生過(guò)壓過(guò)流干擾的原因有多種，如浪涌、靜電，來(lái)自其他設備的脈沖信號干擾、燈具組裝時(shí)不恰當的工作方法、接地點(diǎn)不夠導致電流快速轉換引起高電壓等情況都會(huì )引起過(guò)壓過(guò)流干擾。但以下兩種情況是LED 燈具生產(chǎn)與使用過(guò)程中造成過(guò)壓過(guò)流干擾的主要原因。
a 靜電放電ESD
靜電放電是大多數電子元件在生產(chǎn)、運輸、加工過(guò)程中不可避免的風(fēng)險。雖然目前大多數的LED 芯片
自身已經(jīng)具有防靜電干擾的設計􀈷一般為2kV，但靜電放電依舊是LED 芯片在燈具生產(chǎn)環(huán)節損壞的主要原因。
b 短時(shí)間的過(guò)負荷
短時(shí)間的過(guò)負荷即短時(shí)間內LED 的輸入電壓或電流超過(guò)其額定值􀈷如浪涌電壓或雷擊􀈸。過(guò)負荷一般只持續極短的時(shí)間􀈴通常不會(huì )超過(guò)500ms􀈴類(lèi)似的電壓或電流稱(chēng)為尖峰電壓或尖峰電流。短時(shí)間的過(guò)負荷是LED 芯片在燈具正常使用過(guò)程中損壞的主要原因。

三．LED過(guò)壓過(guò)流干擾的防護方法：
1 防止靜電放電損壞LED 的方法
靜電放電是LED 芯片的隱形殺手。LED 燈具生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)階段的每個(gè)步驟都可能使LED 受到靜電的損傷。靜電防護就是消除靜電或把靜電電壓控制在允許的范圍內􀈴使它不致產(chǎn)生危害。生產(chǎn)過(guò)程中靜電防護的主要措施為：
􀈷 a 保證車(chē)間生產(chǎn)人員及生產(chǎn)設備的靜電防護。（屏蔽與接地）
􀈷 b􀈸盡可能的使生產(chǎn)車(chē)間和周?chē)h(huán)境達到防靜電要求。（中和、增濕、屏蔽與接地）
􀈷 c􀈸采用靜電保護器（ESD）對各接口芯線(xiàn)對地做靜電防護。（靜電泄露、耗散）
依照上述防靜電措施進(jìn)行操作，將靜電防護工作當作一項長(cháng)期的系統工程，防止任何環(huán)節的失誤或疏漏􀈴，加上LED 芯片有一定的防靜電干擾功能􀈴，則在生產(chǎn)過(guò)程中可以有效地防止靜電放電對LED 的損傷。

2 防止LED 芯片短時(shí)間過(guò)負荷的方法
防護瞬間過(guò)電壓或過(guò)電流等LED 短時(shí)間過(guò)負荷現象常用的器件有瞬態(tài)抑制二極管TVS，熱敏電阻MOV,浪涌靜電硅抑制器SET等。目前LED 燈具防過(guò)負荷設計方案分為兩種：第一種為保險絲、壓敏電阻MOV、瞬態(tài)抑制二極管TVS組合形成的電源輸入端保護電路，一般用在LED 燈具電控系統的輸入端􀈴防止在正常運行時(shí)由于電源瞬間浪涌干擾原因造成的LED 故障。第二種為瞬態(tài)抑制二極管TVS、負溫度系數熱敏電阻器（NTC）過(guò)負荷保護電路，一般串聯(lián)在LED 芯片組成的照明電路中，防止LED 燈具通電開(kāi)啟瞬間造成的LED損傷。以下對這兩種方法分別予以討論。

2.1 防止電源瞬間浪涌干擾造成LED 損傷的的保護方案

圖 1
方案中主要用到壓敏電阻MOV及瞬態(tài)抑制二極管TVS做過(guò)壓防護，壓敏電阻是一種具有電壓電流對稱(chēng)特性的電壓屬性電阻器，它主要用來(lái)保護電子元件免受尖峰電壓或尖峰電流的影響。壓敏電阻在常態(tài)時(shí)對受保護的電子元件具有很高的阻抗，而且不會(huì )改變電路特性，但當瞬間尖峰電壓出現越過(guò)壓敏電阻的擊穿電壓時(shí)，該壓敏電阻的阻抗會(huì )變低（僅有幾歐姆），并造成原線(xiàn)路短路，從而對電子產(chǎn)品或元件進(jìn)行保護。將壓敏電阻接入LED 燈具電源輸入端，可防止在正常運行時(shí)由于電源瞬間浪涌干擾造成的LED 故障，防護方案如圖1所示。正常運行時(shí)一旦電網(wǎng)電壓升高，壓敏電阻會(huì )瞬間擊穿短路，對過(guò)壓能量進(jìn)行吸收和泄放，從而有效的防止過(guò)電壓進(jìn)入受保護線(xiàn)路。方案中用到2個(gè)保險絲Fuse 1和Fuse 2，其中Fuse 1在壓敏電阻的前端，用來(lái)防止壓敏電阻失效而短路，但也要通過(guò)雷擊大電流。因此，通常選用慢融性保險絲，其不承擔過(guò)載短路的作用；而Fuse 2是用來(lái)防止過(guò)載，選用快熔性保險絲，不承擔浪涌電流，可以根據負載額定電流選擇合適的保險絲。后端為瞬態(tài)抑制二極管TVS是對前級壓敏電阻的殘余能量進(jìn)行進(jìn)一步的吸收和泄放。更好的保護后端負載。

2.2 防止通電瞬間損傷LED 的保護方案

圖 2
在LED 燈具剛剛通電時(shí)􀈴會(huì )產(chǎn)生一種常見(jiàn)的瞬間過(guò)電流現象，這種現象被稱(chēng)為浪涌電流�？梢圆捎迷跓艟邇炔侩娐肥褂肗TC 電阻器的方法實(shí)現LED 燈具的浪涌電流保護（如圖2）。具體而言，就是在燈具剛剛通電時(shí)􀈴NTC 器件提供一個(gè)高電阻值來(lái)保護LED 免受浪涌電流的損壞，在過(guò)渡時(shí)間之后􀈴NTC 電阻器的電阻會(huì )降低到可忽略不計的數值。方案中的瞬態(tài)抑制二極管TVS對瞬間的浪涌能量提供一條通路，保護后端LED燈珠不受影響。

2.3防止LED 燈珠開(kāi)路（電源極性反接保護）的保護方案

圖 3
當LED輸入端有高壓脈沖時(shí)會(huì )導致后端芯片及LED燈損壞，而瞬態(tài)抑制二極管TVS可以對高壓脈沖進(jìn)行吸收和箝端電路可承受的范圍內，從而消除了由輸入端帶來(lái)的干擾。O.C.P為半導體過(guò)壓型保護器件，當燈珠兩端有靜電和過(guò)電壓時(shí)可瞬間吸收和箝位，把電壓降低，并且當LED開(kāi)路損壞時(shí)，電流無(wú)法流過(guò)損壞的LED燈珠，此時(shí)電源的電壓全部加在O.C.P上，很快O.C.P兩端的電壓就達到了它的開(kāi)關(guān)電壓，O.C.P開(kāi)始工作，隨后將電壓降低到1V左右，電流從O.C.P流過(guò)也經(jīng)過(guò)了其它的LED燈珠，其它的燈珠又亮了起來(lái)。當LED燈串被反向通上電源時(shí)，所有保護器O.C.P都會(huì )開(kāi)始導通，將這些被保護的LED上的電流分流以保護它們不受傷害。在反向電極糾正之后，保護器會(huì )關(guān)閉，LED正常工作。
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和大家對節能環(huán)保的意識不斷提高，LED燈具的市場(chǎng)前景將是一片光輝，不斷進(jìn)步的LED照明市場(chǎng)需要性能良好的硬件設備（燈具），正確的硬件設計是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。前期在硬件設備設計時(shí)充分考慮各種干擾因素的影響會(huì )使燈具質(zhì)量得到很大的保證，對硬件設備進(jìn)行適當的過(guò)壓過(guò)流沖擊防護設計能夠大幅度地提高它的的使用壽命，減小維修成本，更好的滿(mǎn)足人們的需求。