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串聯LED照明電路保護的優化策略

發布時間：2014-09-05 責任編輯：echolady

【導讀】發光二極管(LED)屬於易碎裝置，因此容易受到外界環境的幹擾，如熱、機械衝擊、靜電放電及閃電，尤其是應用於室外時。由於照明及背光顯示的LED燈串使用量的不斷增加，需要研發工程師研發更為可靠的LED串。藍寶石基板的高亮度的LED會對周圍的雷電和閃電攻擊造成的電壓瞬變極其敏感。即使是在室內應用，LED串仍需要安裝靜電放電(ESD)保護裝置，使整個組件更為長期、可靠的運行。當無法提供這種保護時，串聯中的一個LED出現故障並斷開電路，其他的LED燈也將關閉。

單個LED保護

LED串內部(圖1)的旁路保護裝置，可以使該串在單個LED出現故障斷開時，繼續運行。通過限製整個LED串上的任何過剩電流或電壓，有助於保護LED驅動器。

串聯LED照明電路保護的優化策略

圖1：LED串內部的旁路保護裝置

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，而且也有助於保護LED驅動器免受過電流與過電壓(可能因LED故障造成)。

當提到保護單個LED時，在LED串內部需要安裝串聯電路的支路，選擇正確的保護裝置是至關重要的。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。這種理解有助於電路設計者選擇合適的裝置，包括有一個LED因斷路原因出現故障時，能夠保持係列LED串仍舊運行的裝置。

1、LED控製與故障模式

串聯的LED串由恒定電流驅動，該恒定電流由把串聯LED串驅動為充分亮度、顏色與強度的開關電源產生。該恒流電流源提供了對LED組亮度的更好控製以及更均勻的LED組亮度。LED是一種易碎的固態器件，本質上是二極管，構造為P-N結，在正向偏壓時，能夠發光。主要的LED失效機理本質上是機械與熱力，包括熱循環、熱衝擊及在高溫下(可能造成絲焊老化與故障)運行的LED。由於金屬會發生氧化，且隨著時間推移會變脆，LED發生故障的可能性會增加。ESD事件或附近雷擊造成的電湧是LED發生故障的另一個常見原因。

2、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LED額定電流與額定功率，正向工作電壓及LED驅動器恒流輸出電壓。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在不同的額定功率範圍內都可供使用，因此這些值相應地有所不同。同時，發射不同波長(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出現故障，形成開路，高亮度LED串如何連續操作。在需要高可靠性光源的應用中，這個問題是至關重要的。

許多戶外應用位於離開地麵的位置，因此，一個小的事故就會變成一個大的問題。串聯中，單個高亮度LED開路故障可能導致重大費用與不便，原因是必須對整個裝配進行維修。

LED開路保護器運作

LED開路保護器是安裝在LED上內部觸發的兩個終端裝置，如果LED自身修複或被更換，它會自動重置。這種保護器是電壓觸發開關，漏電量低，與微安開關相似，當它被觸發時(圖2)，就變成低阻抗的微安開關，可最大限度地減少功率消耗。通路狀態的LED下降約0.7V，這並不足以打開保護器裝置。一旦有一個LED出現故障形成開路，有足夠的電路電壓來觸發保護器至通路狀態(恒流輸出電壓由LED驅動電路提供)。圖2中描述的PLED6係列也是以內置抗浪湧為特征的，有助於保護LED免受附近雷擊或靜電放電事件引發的浪湧。

串聯LED照明電路保護的優化策略

圖2：典型的LED開路保護器 V-I 特征

拿Littelfuse PLED6係列裝置作為典型LED開路保護器為例，圖2顯示了關鍵的參數為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域。在斷開狀態下，VBR是可以應用於該裝置的直流與交流電壓的連續峰值組合，這導致了通過該裝置的電流小於5μA(從6至33V DC的各類最低VBR額定值都是可行的)。IS是電流值，當應用最低VBR時，它可導致裝置從斷開狀態切換到通路狀態。通常，IS最大值為100mA。吸持電流(IH)是維持裝置處於通路狀態時的最低電流需求(通常為5mA)。通路狀態電壓(VT)是全傳導期間穿過裝置的最大電壓。IT是在通路狀態下，兩秒內可以通過裝置的最大電流額定值(最大值為1A)。通常，LED串電流要遠低於該值，這樣可使得LED開路保護器繼續保持下去。

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，“預算”保護方案可能發揮作用。例如，當選擇適當的LED開路裝置時，可以在串聯中的兩個LED上安裝一個PLED。一個LED故障會導致兩個LED變暗，但這削減了一半的保護成本。
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LED照明係統保護

很多的保護裝置可以用於電源與LED驅動，且有許多出版物可以對選擇提供指導。圖3中的電路是演示LED路(lu)燈(deng)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)保(bao)護(hu)的(de)舉(ju)例(li)。在(zai)該(gai)電(dian)路(lu)中(zhong)，交(jiao)流(liu)電(dian)熔(rong)斷(duan)器(qi)提(ti)供(gong)了(le)基(ji)本(ben)的(de)防(fang)火(huo)保(bao)護(hu)，以(yi)應(ying)對(dui)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)過(guo)流(liu)條(tiao)件(jian)的(de)主(zhu)要(yao)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)，但(dan)是(shi)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)容(rong)忍(ren)3KA至6KA以上的浪湧，而不出現斷路。在下遊組件出現故障的情況下，直流熔斷器可用於直流-直流轉換器或LED驅動電路中的快速過流保護。

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圖3：LED街道照明電路舉例，包括與開關電源(SMPS)相關的保護裝置

在(zai)電(dian)路(lu)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)輸(shu)入(ru)側(ce)，還(hai)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)過(guo)壓(ya)事(shi)件(jian)與(yu)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)是(shi)由(you)附(fu)近(jin)的(de)雷(lei)擊(ji)造(zao)成(cheng)的(de)，但(dan)也(ye)可(ke)能(neng)通(tong)過(guo)電(dian)力(li)線(xian)上(shang)的(de)瞬(shun)間(jian)狀(zhuang)態(tai)變(bian)化(hua)產(chan)生(sheng)。用(yong)於(yu)過(guo)壓(ya)條(tiao)件(jian)的(de)典(dian)型(xing)保(bao)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)(MOV)，可以與瞬態電壓抑製器(TVS)相結合。用於電源保護的電路還需要與地麵隔離，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4顯示了達到這些要求的解決方案。該設計結合了含有瞬態電壓抑製器的金屬氧化物壓敏電阻。

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圖4：用於LED照明的電源輸入過壓保護方案舉例

此外，也應考慮把過壓保護用於LED驅動芯片。適當的去耦電容器，連同為線路驅動器額定電源電壓的TVS裝置，將提供一個非常穩定的設計。一些LED驅動器製造商把感知開路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串處於運行狀態。

潛在的LED旁路保護裝置分析

為了保護單個高亮度LED，並防止整個高亮度LED串聯串在單個高亮度LED出現故障時熄滅，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、可控矽整流器、穩壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開路保護器。

1、壓敏電阻

zhexiezhuangzhizuishiheyuxiangduigaonengdedianyuanxianlushunbian，tebieshileijijidaxingdianganfuhezhuanhuanzaochengdeshunbian。henyihan，zhexiezhuangzhibunengzuochukuaisufanying，wufabaohuLED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串將關閉。壓敏電阻產生的熱對發光二極管也可能是一個問題。

2、可控矽整流器

在出現故障的發光二極管附近，可控矽整流器可按路徑發送電流，以保持LED串(chuan)的(de)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)發(fa)光(guang)。但(dan)是(shi)，這(zhe)些(xie)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)一(yi)些(xie)大(da)型(xing)裝(zhuang)置(zhi)，它(ta)們(men)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)電(dian)阻(zu)式(shi)分(fen)壓(ya)，以(yi)設(she)置(zhi)觸(chu)發(fa)電(dian)壓(ya)。不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)上(shang)，可(ke)控(kong)矽(gui)整(zheng)流(liu)器(qi)觸(chu)發(fa)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)可(ke)能(neng)會(hui)非(fei)常(chang)大(da)。此(ci)外(wai)，反(fan)向(xiang)阻(zu)斷(duan)電(dian)壓(ya)太(tai)高(gao)，因(yin)此(ci)，可(ke)控(kong)矽(gui)整(zheng)流(liu)器(qi)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)反(fan)極(ji)性(xing)保(bao)護(hu)。

3、穩壓二極管

盡管穩壓二極管通常比可控矽整流器小得多，但仍舊存在其他問題。當一個LED出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)形(xing)成(cheng)開(kai)路(lu)時(shi)，穩(wen)壓(ya)二(er)極(ji)管(guan)必(bi)須(xu)引(yin)導(dao)串(chuan)聯(lian)燈(deng)串(chuan)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)電(dian)流(liu)。大(da)部(bu)分(fen)穩(wen)壓(ya)二(er)極(ji)管(guan)有(you)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)，因(yin)此(ci)它(ta)們(men)的(de)壽(shou)命(ming)在(zai)該(gai)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)比(bi)較(jiao)短(duan)。穩(wen)壓(ya)二(er)極(ji)管(guan)也(ye)會(hui)引(yin)起(qi)微(wei)環(huan)境(jing)熱(re)事(shi)件(jian)，該(gai)事(shi)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)LED故障。

4、高分子聚合物ESD保護器

通常這些設備是專用於高速數字電路，不是用於直流線路的保護，與LED串的情況一樣。與矽裝置相比，它們有較高的動態電阻，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。

5、LED開路保護器

這些裝置是特別設計用於保持串聯LED燈串的其餘部分，在一個LED出現故障時，仍能夠正常運轉。它們是緊湊的矽基裝置，安裝在每個LED終端。作為旁路裝置，它們能夠在開路LED周圍，按路徑發送電流，保持LED串的其餘部分仍能夠照明。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。

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