【導(dǎo)讀】LED極易受到ESD、機械沖擊、雷電等的威脅，尤其對于LED串而言，如果其中一個LED出現(xiàn)故障，將會嚴重影響其他LED的使用，因此，為保證整個LED組件長期可靠地運行，我們來看看該如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計？
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(yīng)用時。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(yīng)用，LED串仍需要靜電放電(ESD)保護裝置，以確保整個組件長期、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LED出現(xiàn)故障，并斷開電路，所有其他的LED燈將關(guān)閉。
LED照明系統(tǒng)保護
很多的保護裝置可以用于電源與LED驅(qū)動，且有許多出版物可以對選擇提供指導(dǎo)。圖1中的電路是演示LED路燈照明系統(tǒng)中的開關(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(yīng)對可能造成過流條件的主要系統(tǒng)故障，但是必須能夠容忍3KA至6KA以上的浪涌，而不出現(xiàn)斷路。在下游組件出現(xiàn)故障的情況下，直流熔斷器可用于直流-直流轉(zhuǎn)換器或LED驅(qū)動電路中的快速過流保護。
圖1：LED街道照明電路舉例，包括與開關(guān)電源(SMPS)相關(guān)的保護裝置
在電路的交流電輸入側(cè)，還需要處理過壓事件與電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊造成的，但也可能通過電力線上的瞬間狀態(tài)變化產(chǎn)生。用于過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(jié)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(guī)格都包含在IEC/UL60950-1,UL1449與IEC/UL6500)。圖2顯示了達到這些要求的解決方案。該設(shè)計結(jié)合了含有瞬態(tài)電壓抑制器的金屬氧化物壓敏電阻。 [page]
圖2：用于LED照明的電源輸入過壓保護方案舉例
此外，也應(yīng)考慮把過壓保護用于LED驅(qū)動芯片。適當?shù)娜ヱ铍娙萜鳎B同為線路驅(qū)動器額定電源電壓的TVS裝置，將提供一個非常穩(wěn)定的設(shè)計。一些LED驅(qū)動器制造商把感知開路LED串的電路列入，但該電路不應(yīng)與保護串的電路相混淆，或如果LED出現(xiàn)故障，要保持LED串處于運行狀態(tài)。
單個LED保護
LED串內(nèi)部(圖3)的旁路保護裝置，可以使該串在單個LED出現(xiàn)故障斷開時，繼續(xù)運行。通過限制整個LED串上的任何過剩電流或電壓，有助于保護LED驅(qū)動器。
圖3：LED串內(nèi)部的旁路保護裝置
使用適當旁路保護裝置保護LED串中的單個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(qū)動器免受過電流與過電壓(可能因LED故障造成)。
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當提到保護單個LED時，在LED串內(nèi)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故障機理及不同類型保護裝置的工作原理。這種理解有助于電路設(shè)計者選擇合適的裝置，包括有一個LED因斷路原因出現(xiàn)故障時，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(qū)動，該恒定電流由把串聯(lián)LED串驅(qū)動為充分亮度、顏色與強度的開關(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(gòu)造為P-N結(jié)，在正向偏壓時，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。由于金屬會發(fā)生氧化，且隨著時間推移會變脆，LED發(fā)生故障的可能性會增加。ESD事件或附近雷擊造成的電涌是LED發(fā)生故障的另一個常見原因。
保護裝置選擇的電路參數(shù)：
選擇LED保護裝置中的主要參數(shù)是單個LED額定電流與額定功率，正向工作電壓及LED驅(qū)動器恒流輸出電壓。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以下公式簡單確定：
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(nèi)都可供使用，因此這些值相應(yīng)地有所不同。同時，發(fā)射不同波長(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，會消耗更多電流。主要的可靠性問題是，如果一個高亮度LED出現(xiàn)故障，形成開路，高亮度LED串如何連續(xù)操作。在需要高可靠性光源的應(yīng)用中，這個問題是至關(guān)重要的。
許多戶外應(yīng)用位于離開地面的位置，因此，一個小的事故就會變成一個大的問題。串聯(lián)中，單個高亮度LED開路故障可能導(dǎo)致重大費用與不便，原因是必須對整個裝配進行維修。
潛在的LED旁路保護裝置分析
為了保護單個高亮度LED，并防止整個高亮度LED串聯(lián)串在單個高亮度LED出現(xiàn)故障時熄滅，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(wěn)壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開路保護器。
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壓敏電阻：
這些裝置最適合于相對高能的電源線路瞬變，特別是雷擊及大型電感負荷轉(zhuǎn)換造成的瞬變。很遺憾，這些裝置不能作出快速反應(yīng)，無法保護LED免受低級別瞬變(可能造成LED故障)的危害。除該缺點外，如果LED出現(xiàn)故障形成開路，壓敏電阻不能為電流提供路徑，因此整個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問題。
可控硅整流器：
在出現(xiàn)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(shè)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(wěn)壓二極管：
盡管穩(wěn)壓二極管通常比可控硅整流器小得多，但仍舊存在其他問題。當一個LED出現(xiàn)故障形成開路時，穩(wěn)壓二極管必須引導(dǎo)串聯(lián)燈串中的所有電流。大部分穩(wěn)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型的應(yīng)用中比較短。穩(wěn)壓二極管也會引起微環(huán)境熱事件，該事件可能會導(dǎo)致進一步的LED故障。
高分子聚合物ESD保護器：
通常這些設(shè)備是專用于高速數(shù)字電路，不是用于直流線路的保護，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，它們不能提供過載保護，也不能提供反極性保護。
LED開路保護器：
這些裝置是特別設(shè)計用于保持串聯(lián)LED燈串的其余部分，在一個LED出現(xiàn)故障時，仍能夠正常運轉(zhuǎn)。它們是緊湊的硅基裝置，安裝在每個LED終端。作為旁路裝置，它們能夠在開路LED周圍，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開路保護器運作
LED開路保護器是安裝在LED上內(nèi)部觸發(fā)的兩個終端裝置，如果LED自身修復(fù)或被更換，它會自動重置。這種保護器是電壓觸發(fā)開關(guān)，漏電量低，與微安開關(guān)相似，當它被觸發(fā)時(圖3)，就變成低阻抗的微安開關(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，這并不足以打開保護器裝置。一旦有一個LED出現(xiàn)故障形成開路，有足夠的電路電壓來觸發(fā)保護器至通路狀態(tài)(恒流輸出電壓由LED驅(qū)動電路提供)。圖3中描述的PLED6系列也是以內(nèi)置抗浪涌為特征的，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。 [page]
圖4：典型的LED開路保護器V-I特征
拿LittelfusePLED6系列裝置作為典型LED開路保護器為例，圖4顯示了關(guān)鍵的參數(shù)為VBR，IS，IH，IT與VT。如V-I曲線所示，VBR定義了該裝置的斷開電壓額定值至擊穿電壓額定值之間的區(qū)域。在斷開狀態(tài)下，VBR是可以應(yīng)用于該裝置的直流與交流電壓的連續(xù)峰值組合，這導(dǎo)致了通過該裝置的電流小于5μA(從6至33VDC的各類最低VBR額定值都是可行的)。IS是電流值，當應(yīng)用最低VBR時，它可導(dǎo)致裝置從斷開狀態(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)時的最低電流需求(通常為5mA)。通路狀態(tài)電壓(VT)是全傳導(dǎo)期間穿過裝置的最大電壓。IT是在通路狀態(tài)下，兩秒內(nèi)可以通過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開路保護器繼續(xù)保持下去。
理想情況下，在LED開路保護方案中，每個LED都有一個保護裝置。但是，“預(yù)算”保護方案可能發(fā)揮作用。例如，當選擇適當?shù)腖ED開路裝置時，可以在串聯(lián)中的兩個LED上安裝一個PLED。一個LED故障會導(dǎo)致兩個LED變暗，但這削減了一半的保護成本。
結(jié)論
照明設(shè)備制造商正在向生產(chǎn)LED進行轉(zhuǎn)型，因為LED設(shè)備成本低，性能高，維護少，并且它們的壽命可持續(xù)數(shù)萬小時。但是，它們?nèi)匀恍枰漓o電保護，尤其是在高可靠性應(yīng)用方面，例如，在惡劣環(huán)境中布署的安全關(guān)鍵照明設(shè)備。事實上，與傳統(tǒng)照明設(shè)備相比，戶外LED照明設(shè)備具有不可靠性，除非設(shè)計師增加了適當?shù)碾娐繁Ｗo，以防止最嚴重的過壓情況出現(xiàn)。
第一道防線是良好的電路保護方案，把輸入電源延伸至各個LED。LED開路保護裝置可以應(yīng)對重大的超電壓瞬變，當一個LED發(fā)生故障形成開路時，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(yīng)包括保護開關(guān)式電源與LED驅(qū)動器的熔斷器、MOV與TVS裝置。
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