深度剖析串聯(lián)LED照明的電路保護(hù)

發(fā)光二極管 （LED） 是易碎的設(shè)備，會暴露在熱、機(jī)械沖擊、靜電放電和閃電中，尤其是在戶外使用時(shí)。由于LED燈串在照明和背光中的使用越來越多，研究人員需要更加關(guān)注LED燈串的可靠性。高亮度LED由于其藍(lán)寶石襯底，對附近雷擊引起的電壓瞬變非常敏感。即使在家庭應(yīng)用中，LED燈串仍然需要靜電放電（ESD）保護(hù)，以確保整個(gè)組件的長期可靠運(yùn)行。在沒有這種保護(hù)的情況下，如果串聯(lián)中的一個(gè)LED發(fā)生故障并且電路斷開，則所有其他LED都將熄滅。

1 LED照明系統(tǒng)保護(hù)

電源和LED驅(qū)動(dòng)器可以使用許多保護(hù)器件，許多出版物可以指導(dǎo)選擇。圖1中的電路是LED街道照明系統(tǒng)中開關(guān)電源保護(hù)的示例。在該電路中，交流保險(xiǎn)絲針對可能導(dǎo)致過流情況的主要系統(tǒng)故障提供基本的防火保護(hù)，可承受從 3KA 到超過 6KA 的浪涌而不會中斷。在下游組件發(fā)生故障時(shí)，直流保險(xiǎn)絲可用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器或 LED 驅(qū)動(dòng)器電路中的快速過流保護(hù)。

圖1.LED路燈電路示例

在電路交流輸入側(cè)，我們還需要處理過壓事件和電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊引起的，但它們也可能通過電力線的瞬態(tài)變化而發(fā)生。過壓條件的典型保護(hù)是金屬氧化物壓敏電阻（MOV），可與瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）結(jié)合使用。電源保護(hù)電路也需要與地面隔離，以防止可能的電擊危險(xiǎn)（這些規(guī)范包含在IEC / UL 60950-1，UL 19和IEC / UL 6500中）。圖 2 顯示了滿足這些要求的解決方案。該設(shè)計(jì)集成了金屬氧化物壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器。

圖2.LED照明的電源輸入過壓保護(hù)方案示例

此外，過壓保護(hù)也應(yīng)考慮進(jìn)入LED驅(qū)動(dòng)芯片。適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙菀约邦~定線路驅(qū)動(dòng)器電源電壓的TVS器件將提供非常穩(wěn)定的設(shè)計(jì)。一些LED驅(qū)動(dòng)器制造商包括一個(gè)檢測開路LED串的電路，但該電路不應(yīng)與保護(hù)燈串的電路混淆。如果指示燈出現(xiàn)故障，請保持指示燈串運(yùn)行。

2 單LED保護(hù)

LED 燈串內(nèi)的旁路保護(hù)（圖 3）允許該燈串在單個(gè) LED 失效斷開時(shí)繼續(xù)工作。通過限制 LED 燈串上的任何過大電流或電壓來幫助保護(hù) LED 驅(qū)動(dòng)器。

圖3.使用合適的旁路保護(hù)器保護(hù)LED串中的單個(gè)LED不僅可以保持LED串靜止

能夠點(diǎn)亮，但也有助于保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)器免受過流和過壓（可能是由于LED故障）

當(dāng)提到單個(gè)LED的保護(hù)時(shí)，需要在LED串內(nèi)安裝串聯(lián)電路分支，選擇正確的保護(hù)器件是必不可少的。這需要了解LED故障的潛在機(jī)制以及不同類型的保護(hù)器件的工作原理。這種理解有助于電路設(shè)計(jì)人員選擇合適的器件，包括當(dāng)LED因開路而發(fā)生故障時(shí)保持LED串仍運(yùn)行的器件。

3 LED控制和故障模式

該系列 LED 燈串由開關(guān)電源產(chǎn)生的恒定電流驅(qū)動(dòng)，該開關(guān)電源將 LED 燈串驅(qū)動(dòng)至全亮度、顏色和強(qiáng)度。恒流源可以更好地控制LED組的亮度，并使LED組的亮度更均勻。LED是一種脆弱的固態(tài)器件，本質(zhì)上是一個(gè)二極管，配置為P-N結(jié)，在正向偏置時(shí)發(fā)光。主要的LED故障機(jī)制基本上是機(jī)械和熱的，包括熱循環(huán)，熱沖擊和在高溫下工作的LED（這可能導(dǎo)致電線焊接老化和故障）。隨著金屬氧化并隨著時(shí)間的推移變脆，LED故障的可能性增加。由ESD事件或附近的雷擊引起的浪涌是LED故障的另一個(gè)常見原因。

設(shè)備選擇的電路保護(hù)參數(shù)

LED保護(hù)器件選擇的主要參數(shù)是單個(gè)LED的額定電流和額定功率，正向電壓和LED驅(qū)動(dòng)器恒流輸出電壓。典型的高亮度 LED，額定功率為 1 瓦和 3 瓦。額定功率下的高亮度LED 最大電流消耗可以通過以下公式輕松確定：

I=P/VF

其中I是電流，P是LED額定功率，VF是LED正向電壓。LED 有不同的額定功率，因此這些值會相應(yīng)變化。同時(shí)，發(fā)射不同波長（顏色）的LED具有不同的壓降。例如，紅色LED的VF通常低于白色LED，消耗更多的電流。主要的可靠性問題是，如果高亮度LED發(fā)生故障，則形成連續(xù)運(yùn)行的開放式高亮度LED串。這個(gè)問題在需要高可靠性光源的應(yīng)用中至關(guān)重要。

許多戶外應(yīng)用都位于地面之外，因此一個(gè)小事故可能會變成一個(gè)大問題。串聯(lián)中，單個(gè)高亮度LED開路的故障會導(dǎo)致大量的費(fèi)用和不便，因?yàn)楸仨毿迯?fù)整個(gè)組件。

5 潛在的LED旁路保護(hù)器分析

為了保護(hù)單個(gè)高亮度LED，防止單個(gè)高亮度LED發(fā)生故障時(shí)整個(gè)系列的高亮度LED熄滅，必須在高亮度LED端子上安裝旁路保護(hù)器。有許多器件需要考慮，包括壓敏電阻、晶閘管、齊納二極管、靜電放電保護(hù)器和LED開路保護(hù)器。

6 壓敏電阻

這些器件最適合相對較高的電源線瞬變，尤其是由雷擊和大感性負(fù)載轉(zhuǎn)換引起的瞬變。不幸的是，這些設(shè)備不能快速響應(yīng)，并且無法保護(hù)LED免受可能導(dǎo)致LED故障的低電平瞬變的影響。除了這個(gè)缺點(diǎn)之外，如果LED無法打開，壓敏電阻無法提供電流路徑，因此整個(gè)LED串將熄滅。壓敏電阻產(chǎn)生的熱量也可能是發(fā)光二極管的問題。

在故障LED附近，晶閘管可以路由電流，以防止LED串的其余部分發(fā)光。但是，這些器件是大型器件，通常需要電阻分壓器來設(shè)置觸發(fā)電壓。在不同的溫度下，晶閘管觸發(fā)電壓變化可能非常大。此外，反向阻斷電壓過高，因此晶閘管無法提供反極性保護(hù)。

8 齊納二極管

雖然齊納二極管通常比SCR小得多，但其他問題仍然存在。當(dāng)一個(gè)LED無法形成開路時(shí)，齊納二極管必須引導(dǎo)串中的所有電流。大多數(shù)齊納二極管的額定電流相對較低，因此對于此類應(yīng)用而言，它們的使用壽命相對較短。齊納二極管還會引起微環(huán)境熱事件，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的LED故障。

9 聚合物防靜電保護(hù)器

這些器件通常專用于高速數(shù)字電路，不用于直流線路保護(hù)，就像LED串一樣。它們比硅器件具有更高的動(dòng)態(tài)電阻，因此它們的鉗位電壓太高，無法保護(hù)脆弱的LED。此外，它們不提供過載保護(hù)或反極性保護(hù)。

10 LED開路保護(hù)器

這些器件專門設(shè)計(jì)用于固定 LED 串的其余部分，并在 LED 發(fā)生故障時(shí)仍能正常工作。它們是安裝在每個(gè)LED端子上的緊湊型硅基器件。作為旁路器件，它們能夠在開路LED周圍路由電流，使其余LED串保持照明。一些LED開路保護(hù)器還提供靜電放電/照明和反極性保護(hù)，從而降低了照明電路成本并消除了對額外保護(hù)元件的需求。

11 LED開路保護(hù)器操作

LED開路保護(hù)器是一種雙端子器件，由LED內(nèi)部觸發(fā)，如果LED本身被修復(fù)或更換，則會自動(dòng)復(fù)位。該保護(hù)器是一種電壓觸發(fā)開關(guān)，具有低泄漏，類似于微安開關(guān)。當(dāng)它被觸發(fā)時(shí)（圖 3），它成為一個(gè)低阻抗微安開關(guān)，將功耗降至最低。過孔狀態(tài) LED 下降約 0.7V，不足以打開保護(hù)器器件。一旦出現(xiàn)開路 LED 故障，就有足夠的電路電壓觸發(fā)保護(hù)器進(jìn)入過孔狀態(tài)（由 LED 驅(qū)動(dòng)器電路提供的恒流輸出電壓）。圖 6 中描述的 PLED3 系列還具有內(nèi)置抗浪涌功能，有助于保護(hù) LED 免受附近雷擊或靜電放電事件引起的浪涌的影響。

以 Littelfuse PLED6 系列器件為例，作為典型的 LED 開路保護(hù)器。圖 顯示了 VBR、IS、IH、IT 和 VT 的關(guān)鍵參數(shù)。如V-I曲線所示，VBR定義了器件的開路額定電壓和擊穿電壓額定值之間的區(qū)域。在關(guān)斷狀態(tài)下，VBR是可以施加到器件的直流和交流電壓的連續(xù)峰值組合，這導(dǎo)致通過器件的電流小于5 μA（從6到33 V DC的各種最小VBR額定值是可行的）。IS 是在應(yīng)用最低 VBR 時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備從關(guān)閉狀態(tài)切換到通過狀態(tài)的當(dāng)前值。通常，最大IS為100mA。保持電流 （IH） 是將器件保持在導(dǎo)通狀態(tài)的最小電流要求（典型值為 5mA）。路徑狀態(tài)電壓 （VT） 是器件完全導(dǎo)通期間兩端的最大電壓。IT 是設(shè)備在路徑中時(shí)可以在兩秒內(nèi)通過的最大額定電流（最大值為 1A）。一般來說，LED串電流遠(yuǎn)低于這個(gè)值，這樣LED開路保護(hù)器就可以保持了。

理想情況下，每個(gè) LED 在 LED 開路保護(hù)方案中都有一個(gè)保護(hù)裝置。但是，“預(yù)算”保護(hù)計(jì)劃可能會發(fā)揮作用。例如，在選擇合適的LED開路器件時(shí)，可以將PLED安裝在兩個(gè)串聯(lián)的LED上。一個(gè) LED 故障會導(dǎo)致兩個(gè) LED 變暗，但這可將保護(hù)成本降低一半。