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(多图) LED灯具损坏常见原因及保护方案

方艳?? 泰科电子瑞侃电路保护部?? 2013年04月22日 ?? 收藏0
大功率白光LED作为新型绿色照明技术,有光转换效率高、能耗低、寿命长、无需维护等优点,逐渐被应用于各种照明领域。LED的长寿命是基于其安全的工作环境,对于LED照明来讲,主要有两种威胁影响其寿命:一是过电冲击,就是LED上施加的电流超过该LED技术数据手册中的最大额定电流,包括过压引起的过电冲击;另一种是过热损伤。这些损坏可以表现为器件的立即失效,也可能发生在过电流冲击事件后许久才失效,缩短LED工作寿命。

LED灯具损坏的原因

LED灯具失效一是来源于电源和驱动的失效,二是来源于LED器件本身的失效。通常LED电源和驱动的损坏来自于输入电源的过电冲击(EOS)以及负载端的断路故障。输入电源的过电冲击往往会造成驱动电路中驱动芯片的损坏,以及电容等被动元件发生击穿损坏。负载端的短路故障则可能引起驱动电路的过电流驱动,驱动电路有可能发生短路损坏或有短路故障导致的过热损坏。LED器件本身的失效主要有以下几种情况。

1.瞬态过流事件

瞬态过流事件是指流过LED的电流超过该LED技术数据手册中的最大额定电流,这可能是由于大电流直接产生也可能是由高电压间接产生,如瞬态雷击、开关电源的瞬态开关噪声、电网波动等过压事件引起的过流。这些事件都是瞬态的,持续时间极短,通常我们将其称为尖峰,如“电流尖峰”、“电压尖峰”。造成瞬态过流事件的情况还包括LED接通电源,或是带电插拔时的瞬态过电流。

对于汽车中的LED照明,ISO7637-2的瞬态抛负载浪涌冲击则是其正常工作的一个重要威胁。

LED遭受过电冲击后的失效模式并非固定,但通常会导致焊接线损坏,如图1所示。这种损坏通常由极大的瞬态过电流引起。除了导致焊接线烧断外,还可能导致靠近焊接线的其他部分损坏,例如密封材料。

LED灯具损坏常见原因及保护方案

2.静电放电事件

静电放电(ESD)损坏是目前高集成度半导体器件制造、运输和应用中最为常见的一种瞬态过压危害,而LED照明系统则须满足IEC61000-4-2标准的“人体静电放电模式”8kV接触放电,以防止系统在静电放电时有可能导致的过电冲击失效。

LED PN结阵列性能将出现降低或损坏,如图2所示。ESD事件放电通路导致的LED芯片的内部失效,这种失效可能只是局部功能损坏,严重的话也会导致LED永久损坏。

LED灯具损坏常见原因及保护方案

对于接近80%能量都转化为热量的LED照明设计而言,热管理和故障过热保护是其面临的一个挑战。理论和实践都已经证明,LED的性能和寿命是与LED的PN结工作温度紧密相关。当LED芯片内结温升高10℃,光通量就会衰减1%,LED的寿命就会减少50%。

电源及驱动电路的保护

由于LED电源和驱动电路容易遭受过电冲击和短路故障而损坏,因此在驱动电路设计中要充分考虑各种故障状态的保护措施,以提高电路的可靠性,从而降低返修率。泰科电子的LVR系列PTC可以实现交流电源的过流和短路保护,ROV用于过电冲击和浪涌保护。POLYZEN系列是用于直流电源输入口的过压过流综合保护元件,LED灯串中的表面贴系列则是实现负载过流或断路故障保护(图3)。

LED灯具损坏常见原因及保护方案

PPTC在LED照明中的过流和过热保护

虽然许多高端LED驱动器件逐渐集成了过流、过热等保护功能,但在许多场合,特别是过热保护方面,仍然需要分立元器件方案作为协同保护方案,以使灯具具有更高的可靠性和更长的寿命。

PPTC是指高分子聚合物正温度热敏电阻,是由聚合物与导电粒子等构成,经过特殊加工后,导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时,PPTC呈低阻状态。当电路中有异常过电流通过(或环境温度升高)时,大电流(或环境温度升高)所产生的热量使聚合物迅速膨胀,切断了导电粒子所构成的导电通路,PPTC呈高阻状态。当电路中过电流(超温状态)排除后,聚合物冷却,体积恢复正常,其中导电粒子又重新构成导电通路,PPTC又呈初始的低阻状态。PPTC的体积小,成本低,可反复使用,实现了电路保护的自动启动和自动恢复。

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LED驱动? LED灯具? PPTC? ESD?

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