串聯(lián)LED照明的電路保護優(yōu)化策略

1、串聯(lián)LED照明的電路保護優(yōu)化策略關(guān)鍵詞：LED照明電路保護背光顯示開路保護器作者：PhillipHavens、JimColby與TeddyTo,Littelfuse公司發(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，特別是在室外應用時。由于使用照明及背光顯示的LED燈串持續(xù)增加，需要研發(fā)工程師更加關(guān)注于LED串的可靠性。高亮度的LED由于采用藍寶石基板，對鄰近雷擊閃電攻擊造成的電壓瞬變非常敏感。即使是在家庭應用中，LED串仍需要靜電放電（ESD）保護裝置，以確保整個組件能長期可靠地執(zhí)行。在缺少電路保護的情況下，如果串聯(lián)中的一個LED出現(xiàn)故障，并斷開電路，所有其

2、他的LED燈將隨之斷電。LED照明系統(tǒng)保護許多保護裝置可用于電源與LED驅(qū)動，目前也有許多出版物可對于選擇提供指導。圖1的電路展示LED路燈照明系統(tǒng)中的開關(guān)電源保護案例。在該電總中，AC熔絲提供了基本的防火保護，以避免重要系統(tǒng)故障而導致過電流的情況，但它必須能夠耐受3KA至6KA以上的突波，而不出現(xiàn)斷路。在下游組件出現(xiàn)故障的情況下，AC熔絲適用于DC-DC轉(zhuǎn)換器或LED驅(qū)動電路中的快速過電流保護。露險電器抑制器SMI，威得T LEDLEO®、4ft TV5htovXSMP5HVDC2 J府定噫不LEO?o口L府定嘉LED9圖1:LED街道照明電路范例，其中包括與開關(guān)電源（SMPS）相

3、關(guān)的保護裝置在電總的AC輸入端，還必須處理過電壓事件與電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊造成的，但也可能經(jīng)由電力線的瞬間狀態(tài)變化而產(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（這些要求都包含在IEC/UL60950-1、UL1449與IEC/UL6500標準中）。圖2顯示符合這些要求的解決方案。i設(shè)計結(jié)合含有TVS的金屬氧化物壓敏電阻。圖2:用于LED照明的電源輸入過壓保護方案范例。此外，也應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

4、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串處于執(zhí)行狀態(tài)。單一LED保護LED串內(nèi)部（圖3）的旁路保護裝置，可使該串在單個LED出現(xiàn)故障斷開時繼續(xù)執(zhí)行。透過限制整個LED串上的任何過剩電流或電壓，有助于保護LED驅(qū)動器。當提到保護單一LED時，在LED串內(nèi)部需要安裝串行電路分支，選擇正確的保護裝置是至關(guān)重要的。這必須先解潛在的LED故障機制以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，包括在當一個LED因斷路原因出現(xiàn)故障時，能夠保持串聯(lián)LED串仍舊執(zhí)行的裝置。PLED

5、ConstantCurrentSourceActivePLED圖3:使用適當旁路保護裝置保護LED串中的單個LED,不僅使LED串能持續(xù)照明，也有助于保護LED驅(qū)動器免于LED故障造成的過電流與過電壓情況。LED控制與故障模式串聯(lián)的LED串由？定電流驅(qū)動，？定電流由驅(qū)動完全亮度、顏色與強度的開關(guān)電源產(chǎn)生。i?定電流源可為LED串組的亮度帶來更佳控制以及在LED之間實現(xiàn)更均勻的亮度。LED是一種易碎的固態(tài)組件本質(zhì)上是一種像P-N結(jié)構(gòu)的二極管，在正向偏壓時能夠發(fā)光。造成LED故障機制通常來自于機械與熱力，包括熱循環(huán)、熱沖擊以及在高溫下（可能造成絲焊老化與故障）執(zhí)行的LED。由于金屬會產(chǎn)生氧化，且隨

6、著時間推移會變脆，LED產(chǎn)生故障的可能性會增加。此外，ESD事件或附近雷擊造成的突波是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)選才ILED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？定電流輸出電壓。典型高亮度LED額定功率在1W與3W之間。額定功率上的高亮度LED最大電流消耗可經(jīng)由以下公式簡單確定：11=P/Vf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相較，紅色LED通常有更低的Vf,會消耗更多電

7、流。主要的可靠性問題是，如果一個高亮度LED發(fā)生故障而形成開路，高亮度LED串如何連續(xù)作業(yè)。在需要高可靠性光源的應用中，這個問題是至關(guān)重要的。許多戶外應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。在LED串聯(lián)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。潛在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)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（MOV）、可控硅整流器（SCR）、穩(wěn)壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開路保護器。壓敏電阻這些裝置最適合

8、于相對高能量的電源線路瞬變，特別是雷擊及大型電感負載轉(zhuǎn)換造成的瞬變。遺憾的是這些裝置不能作出快速反應，無法保護LED免受低等級瞬變（可能造成LED故障）的危害。此外，如果LED出現(xiàn)故障形成開路，壓敏電阻也無法為電流提供路徑，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)LED故障時，可控硅整流器可安排電流改變路徑，使LED串的其余部份持續(xù)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，而可控硅整流器無法提供反極性保護。穩(wěn)壓二極管盡管穩(wěn)壓二極管通常比可

9、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)壓二極管必須引導串聯(lián)燈串中的所有電流。大部份穩(wěn)壓二極管有相對較低的電流額定值，因此其壽命在該類型的應用中比較短。穩(wěn)壓二極管也會引起微環(huán)境熱事件，從而可能導致LED發(fā)生更多故障。高分子聚合物ESD保護器如同LED串的情況一樣，通常這些設(shè)備專用于高速數(shù)字電路，而非用于DC線性保護。相較于硅裝置相較，它們有較高的動態(tài)電阻，因此鉗位電壓太高，不能保護易碎的LED。此外，它們不能提供過載保護，也無法提供反極性保護。LED開路保護器這些裝置特別設(shè)計用于保持串聯(lián)LED燈串的其余部份，在一個LED出現(xiàn)故障時，仍能夠正常運轉(zhuǎn)。它們是緊密的硅

10、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周圍安排路徑發(fā)送電流，使LED串的其余部份仍持續(xù)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，從而可減少照明電路成本，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內(nèi)部觸發(fā)的兩個終端裝置，如果LED自行修復或被更換，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mA開關(guān)相似，當它被觸發(fā)時（圖3）,就變成低阻抗的mA開關(guān)，可大幅地減少功率消耗。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)（？定電流輸

11、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)建抗突波為特征的，有助于保護LED免受附近雷擊或靜電放電事件引發(fā)的突波。圖4:典型的LED開路保護器V-I特征。以LittelfusePLED6系列裝置作為典型LED開路保護器為例，圖4顯示關(guān)鍵參數(shù)為Vbr、Is、Ih、It與Vt。如V-I曲線所示，VBR定義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是可應用于該裝置的DC與AC電壓的連續(xù)峰值組合，這導致通過該裝置的電流小于5aA伙6至33VDC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(tài)切換到通路狀態(tài)。I

12、s最大值通常為100mAo持續(xù)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）o通路狀態(tài)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(tài)下，兩秒內(nèi)可通過裝置的最大電流額定值（最大彳t為1A）。LED串電流通常遠低于該值，從而使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，低成本'的保護方案也可能發(fā)揮作用。例如，當選擇適當?shù)腖ED開路裝置時，可在串聯(lián)中的兩個LED上安裝一個PLED。一個LED故障會導致兩個LED變暗，但這可節(jié)省一半的電路保護成本。+Iak*圖5:V-I曲線顯示第三象限的極性保護能力。結(jié)論照明設(shè)備制造商正朝著制造LED方向轉(zhuǎn)型，因為LED設(shè)備成本低、性能高、維護少，其壽命還可持續(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用方面，例如在惡劣環(huán)境中部署的安全關(guān)鍵照明設(shè)備。事實上，與傳統(tǒng)照明設(shè)備相較，戶