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摘要：  本文介紹如何通過電路保護器件來預防電路瞬態(tài)的發(fā)生。

關鍵字：  發(fā)光二極管，  LED燈串，  DC-DC變換器

一　引言

發(fā)光二極管是一種易受高溫，機械沖擊，靜電放電(ESD)以及閃電引起的浪涌等威脅的脆弱器件。隨著LED燈串在固態(tài)照明(SSL)和顯示屏背光應用中增長，LED燈串的可靠性越來越受到LED燈串設計師的關注。藍寶石村底上制作高亮度發(fā)光二極管時對電路的瞬變是特別敏感。即使在家庭應用中，LED燈串需也需要ESD保護裝置以確保整個裝置能長期，可靠運行。缺乏此類保護時， LED燈串中只要有一只出現(xiàn)故障并使電路開路，則所有的LED都會全部關閉，故設計師們應考慮從交流供電線到遍及各單個LED的電路保護選項。電源和 LED 驅動可以考慮保護裝置很多。圖1所示即含開關電源(SMPS)相關保護器件的LED路燈照明系統(tǒng)的實例。在該電路中，交流保險絲提供了抗過流條件和能容忍3kA 至 6kA 浪涌而不開路而造成主系統(tǒng)故的基本防火保護。直流保險絲起DC-DC變換器或LED驅動電路中下游元件出現(xiàn)故障時的快速過電流保護。

在電路的輸入側，也有處理過壓和瞬態(tài)的需要。這些問題通常是由附近的雷擊引起，也可因供電線的瞬間切換產生。此類過壓條件的典型保護器件是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)與瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的可能組合。供電系統(tǒng)的保護電路還需要從接地線至可能有觸電危險的供電線間的隔離。IEC/UL 60950-1，UL 1449和IEC/UL 6500規(guī)范對安全要求作出了規(guī)定。圖2所示為滿足這些要求的一個解決方案。這個設計使一個金屬氧化物壓敏電阻和一個瞬態(tài)電壓抑制器相結合。此外，過電壓保護應該考慮使用LED驅動IC。適當?shù)耐笋铍娙菁由项~定容量為供電驅動器電壓的瞬態(tài)電壓抑制器將可提供非常穩(wěn)定的設計。

一些LED驅動器制造廠家已把傳感LED燈串開路的電路系統(tǒng)包括在LED驅動IC中，但這不應與燈串如果開路的保護及維持其運行相混淆。健全的的設計應該是既保護燈串不致發(fā)生瞬態(tài)，又能確保單個LED失效情況下的正常運行。

二　單個LED的保護電路

在單個發(fā)光二極管失效導致開路的狀態(tài)下， LED燈串中的旁路保護(圖3)可使燈串電路繼續(xù)發(fā)揮功能。它也有助于利用限制任何由整個LED燈串損耗要求的過電流和電壓來保護LED驅動器。用此電路保護單個LED與安裝有LED燈串的串聯(lián)腿支路時，正確選擇保護器件是關鍵。這需要對LED潛在故障的機理和不同類型保護器件是如何工作有所了解，這種了解有助于電路設計者選擇合適器件，包括單個LED開路失效時仍保持LED串聯(lián)燈串能工作的器件。

首先，我們來考慮如何控制LED及其可能出現(xiàn)的故障模式。串聯(lián)的LED燈串系由開關電源產生的恒流源供電并將其驅動至全亮、彩色和高強度狀態(tài)。恒流供電電路 為LED燈串組提供了較好的亮度控制，同時保持LED燈與燈之間亮度更均勻。

LED是一種脆弱的固態(tài)器件，本質上就是一只二極管、 當其p-n 結結構正偏時便能發(fā)光。LED 故障的主要機制都與機械和熱性質有關，涉及到熱循環(huán)、 熱沖擊和高溫導致引線老化和失效。隨著金屬的氧化和器件使用時間的增加、 LED 故障出現(xiàn)的可能亦將增多。靜電放電(ESD)或附近雷電引起的浪涌則是造成LED故障的另一常見原因。

三　LED保護器件的主要參數(shù)

選擇LED保護器件的主要參數(shù)是單個LED的電流和額定功率，正向工作電壓及LED驅動器的許可電壓。典型高亮度LED的額定功率約為1~3W，在其額定功率下可抽取的最大電流可簡單據(jù)下式確定：

式中I為電流，P 為額定功率，Uf為LED的正向電壓。因LED有效額定功率范圍的不同，故據(jù)上式求得的值亦不同。而且LED發(fā)射不同波長(顏色)光時的壓降也不同，如紅光LED的正向電壓通常比白光LED低， 因此抽取的電流有更大。

LED燈串中如果有一只LED失效而開路，燈串的繼續(xù)運行則是個主要的可靠性問題，這在需要有高可靠光源的應用中至關重要。許多諸如路燈之類的戶外應用都是離地的，因此有效接近就有問題。LED燈串中單個LED開路的故障，因為有可能造成整個裝置都要檢修，所以結果費用會很昂貴也極不方便。

為了保護LED和避免整個LED燈串因單個LED失效開路而關閉，LED兩端需要安裝旁路保護器件?？梢钥紤]的旁路保護器件有好多，包括金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，可控硅(SCR)，穩(wěn)壓(zener)二極管，聚合物靜電放電(ESD)保護器以及LED開路保護器等。

金屬氧化物壓敏電阻對典型地因雷擊和切換大感性負載引起的能量較高的供電線瞬變最適合，但不能迅速保護因低電平瞬變造成的LED失效。此外，如果LED因失效開路的話，金屬氧化物壓敏電阻不能為電流提供通路的缺點也會造成整個LED燈串關閉。金屬氧化物壓敏電阻最終產生的熱量也是LED的問題。

可控硅可以為失效LED分路電流并保持剩下的LED燈串點亮發(fā)光。不過，器件體積較大，通常需要電阻分壓器網絡來設置觸發(fā)電壓。不同的溫度下，可控硅的觸發(fā)電壓變化很大。另外，因反向阻斷的電壓太高，故不能作反向保護。

齊納二極管可以用來旁路失效開路的LED，且比可控硅小得多，盡管齊納二極管也有別的缺點。LED失效開路時，齊納二極管須讓全部LED燈串的電流流過，大多數(shù)齊納二極管的額定電流都較小，故作該應用時壽命會很短。齊納二極管正向工作的模式會造成微環(huán)境過熱，從而進一步導致LED故障。

聚合物靜電放電保護器是由高速數(shù)字電路制成，不是像LED燈串那樣的直流線路保護，具有比硅器件更高的動態(tài)電阻，故鉗位電壓很高，足以保護LED正常工作。但不能提供浪涌保護，也沒有反極性保護。

四　LED開路保護器

LED開路保護器系專門為保持LED燈串當其中某個LED發(fā)生故障開路時仍然能工作而設計的，安裝在每個LED兩端的緊湊型硅基器件。它們分流掉圍繞開路LED原應流過的電流，起到旁路作用，以保持LED燈串其余部分繼續(xù)點亮工作。有些LED開路保護器還提供ESD和反極性保護，因省去了額外的保護元件，照明電路的成本有所降低。

LED開路保護器是一種安裝在LED兩端之間，內部觸發(fā)的雙端器件，如果LED自身恢復或被替換便自動復位，為一種微安級低漏電流的電壓觸發(fā)開關，被觸發(fā)后即成功耗減至最小的低阻抗開關，如圖3，其通壓降約態(tài)0.7V，不足以打開保護器件。一旦某個LED開路，便有由LED驅動器提供的足夠電壓觸發(fā)保護器進入通態(tài)。LittleFuse PLED系列器件還具有內置抗浪涌特性，有助于保護LED防因附近雷擊或靜電放電引起的故障。

圖4為采用PLED系列作LED開路保護器件的典型I –V特性。圖中給出關鍵參數(shù)VBR，IS，IH，IT和VT在V-I曲線中的位置。VBR定義了從斷態(tài)電壓至器件額定擊穿電壓的范圍。關斷狀態(tài)下，VBR是施加于器件使器件流過的傳電流小于5μA結果時，交、直流電壓峰值的連續(xù)組合。(不同VBR最小額定值的有效范圍為6VDC至33VDC)。IS為施加最小VBR值時導致器件從關態(tài)到通態(tài)的電流值。通常情況下， IS的最大典型值是100mA。維持電流(IH)是維持器件處于通態(tài)要求的最小電流(通常為5mA)。通態(tài)電壓(VT)為器件全導通時兩端的最高電壓。IT是器件導通2秒期間流過最大的額定電流值(最大1A)。通常LED燈串的電流遠比較低，從而使LED開路保護器可以保持無限期工作。圖5所示為說明反極性保護的V-I曲線第三象限，它與圖4略有不同。由于LED工作時最需要注意的是熱條件，故溫度范圍寬(-40oC到+150oC)是開路保護器的另一個優(yōu)點，此外還有通態(tài)電壓低(約1.5V)和斷態(tài)電流小的特性，因此，保護器工作時的熱耗散非常小。

LED開路保護器對采用各種亮度控制方法的電路均可很好工作。亮度控制最好的方式是典型的切換頻率在60Hz到1000Hz之間的脈寬調制(PWM)，但PWM可以更高。PWM調光是一種比單單限制直流電流導致不希望顏色移位的調光方法更精準有效，加之，線性的功率控制還能降低能效。LED開路保護器件應在任何情況下不會對調光策略有所干擾。LED開路保護器件可兼容切換速度高達30kHz，消除了任何諸如閃爍等潛在的負面影響。

理想情況下， LED開路保護方案應給每個LED都配置保護器件。但也使用低成本的保護方案，如當正確選擇了LED開路保護器件時，兩個串聯(lián)的LED安裝一個PLED，則LED的故障只使兩個LED變暗，保護方案的成本卻可消減半。

LED需要ESD的保護，特別是在諸如在惡劣環(huán)境中安全性問題至關重要，要求高可靠的應用中。毋容置疑，戶外LED照明設施實際上比傳統(tǒng)照明更不可靠，除非設計師添加了防止大多數(shù)嚴重過壓情況發(fā)生的適當保護電路。

良好的電路保護方案是第一道防線，從輸入電源延伸到單個LED。LED開路保護器能應付重大過壓瞬變并當單個LED出現(xiàn)故障而開路時保持LED燈串點亮。正如所受到的保護那樣，這只是包括保護開關電源和LED驅動器的保險絲，金屬氧化物壓敏電阻和可控硅器件的全面解決方案的一部分。

五　LittelFuse PLED簡述

LittelFuse公司于推出的PLED電路保護器件能為LED燈串提供獨特的包括LED開路保護、ESD與雷擊三合一保護及針對電池/電源反向連接的保護。在不斷發(fā)展增長的戶外LED照明和高密集型LED應用市場中，這一新裝置對保持亮度與可靠性尤其有效。

PLED是一種電壓觸發(fā)型的電子分路器件，當某個LED出現(xiàn)開路故障時，該裝置能提供電流旁路，避免了整個LED燈串無法正常工作的情況。這是LittelFuse針對廣告、交通、飛機與跑道照明等需要可靠性高和電路設計有額外要求的大范圍應用推出的新一代LED保護器件。。此外，用于這些應用領域都要采用大量通常在藍寶石村底上制作的高密集型白色/藍色/綠色LED，其ESD耐受性可能較低，故LED燈串都需適當?shù)腅SD保護。

與傳統(tǒng)的LED保護方式相比，LittelFuse PLED燈串保護器能提供更簡單、更經濟的電路設計，減少了LED顏色不均的現(xiàn)象，并避免了使用齊納二極管時通常會出現(xiàn)的供電設備電壓下降現(xiàn)象，從而能實現(xiàn)的能效更高。

PLED裝置的主要優(yōu)點為

● 燈串中某個LED出現(xiàn)開路故障時，仍能保持整個LED燈串處于點亮狀態(tài)。

● 體積小巧，封裝容易，安裝方便。

●通態(tài)電阻低，能經受LED的大電流，顏色不均現(xiàn)象少。

● 3合1保護能實現(xiàn)更低成本的解決方案。

● 可在對供電電壓無負面影響的前提下控制開路故障。

● 適用于維護成本高昂的戶外照明。

● 快速切換，重啟后可自動復位

PLED與其它電路保護技術相比的不同之處：

1)PLED能夠提供LED開路保護。SCR也能提供該保護，但齊納二極管不提供，因為燈串電流會導致齊納二極管過載并縮短其使用壽命。

2)PLED提供電極反接保護，而SCR和齊納二極管則不提供。

3)PLED和齊納二極管均提供ESD/雷擊保護，而SCR則不提供。

六　結論

本文介紹的通過電路保護器件來預防LED電路瞬態(tài)發(fā)生的保護，盡管只是LED照明全面解決方案的一部分，但毋容置疑，這對在惡劣環(huán)境中安全性問題至關重要和可靠性要求高的應用實乃必不可少保護措施。