1、串联LED照明的电路保护优化策略关键词：LED 照明 电路保护 背光显示 开路保护器 作者：Phillip Havens、Jim Colby与Teddy To，Littelfuse公司 发光二极管(LED)是一种易碎的装置，容易受到热、机械冲击、静电放电及闪电的威胁，特别是在室外应用时。由于使用照明及背光显示的LED灯串持续增加，需要研发工程师更加关注于LED串的可靠性。高亮度的LED由于采用蓝宝石基板，对邻近雷击闪电攻击造成的电压瞬变非常敏感。即使是在家庭应用中，LED串仍需要静电放电(ESD)保护装置，以确保整个组件能长期可靠地执行。在缺少电路保护的情况下，如果串联中的一个LED出现故障，
2、并断开电路，所有其他的LED灯将随之断电。 LED照明系统保护 许多保护装置可用于电源与LED驱动，目前也有许多出版物可对于选择提供指导。图1的电路展示LED路灯照明系统中的开关电源保护案例。在该电路中，AC熔丝提供了基本的防火保护，以避免重要系统故障而导致过电流的情况，但它必须能够耐受3KA至6KA以上的突波，而不出现断路。在下游组件出现故障的情况下，AC熔丝适用于DC-DC转换器或LED驱动电路中的快速过电流保护。 图1：LED街道照明电路范例，其中包括与开关电源(SMPS)相关的保护装置。在电路的AC输入端，还必须处理过电压事件与电压瞬变。它们通常是由附近的雷击造成的，但也可能经由电力线
3、的瞬间状态变化而产生。用于过压条件的典型保护装置是金属氧化物压敏电阻(MOV)，可与瞬态电压抑制器(TVS)相结合。用于电源保护的电路还需要与地面隔离，防止可能的电击危险(这些要求都包含在IEC/UL 60950-1、UL 1449与IEC/UL 6500标准中)。图2显示符合这些要求的解决方案。该设计结合含有TVS的金属氧化物压敏电阻。 图2：用于LED照明的电源输入过压保护方案范例。此外，也应考虑把过压保护用于LED驱动芯片。适当的去耦电容器，连同为线路驱动器额定电源电压的TVS装置，将提供一个非常稳定的设计。一些LED驱动器制造商把感知开路LED串的电路列入，但该电路不应与保护串的电路相
4、混淆，或如果LED出现故障，要保持LED串处于执行状态。 单一LED保护 LED串内部(图3)的旁路保护装置，可使该串在单个LED出现故障断开时继续执行。透过限制整个LED串上的任何过剩电流或电压，有助于保护LED驱动器。 当提到保护单一LED时，在LED串内部需要安装串行电路分支，选择正确的保护装置是至关重要的。这必须先解潜在的LED故障机制以及不同类型保护装置的工作原理。这种理解有助于电路设计者选择合适的装置，包括在当一个LED因断路原因出现故障时，能够保持串联LED串仍旧执行的装置。 图3：使用适当旁路保护装置保护LED串中的单个LED，不仅使LED串能持续照明，也有助于保护LED驱动器
5、免于LED故障造成的过电流与过电压情况。LED控制与故障模式串联的LED串由?定电流驱动，?定电流由驱动完全亮度、颜色与强度的开关电源产生。该?定电流源可为LED串组的亮度带来更佳控制以及在LED之间实现更均匀的亮度。 LED是一种易碎的固态组件本质上是一种像P-N结构的二极管，在正向偏压时能够发光。造成LED故障机制通常来自于机械与热力，包括热循环、热冲击以及在高温下(可能造成丝焊老化与故障)执行的LED。由于金属会产生氧化，且随着时间推移会变脆，LED产生故障的可能性会增加。此外，ESD事件或附近雷击造成的突波是LED发生故障的另一个常见原因。 保护装置选择的电路参数选择LED保护装置中的
6、主要参数是单个LED额定电流与额定功率，正向工作电压及LED驱动器?定电流输出电压。典型高亮度LED额定功率在1W与3W之间。额定功率上的高亮度LED最大电流消耗可经由以下公式简单确定： 其中I是电流，P是LED额定功率，VF是LED正向电压。LED在不同的额定功率范围内都可供使用，因此这些值相应地有所不同。同时，发射不同波长(颜色)的LED有不同的电压降。例如，与白色LED相较，红色LED通常有更低的VF，会消耗更多电流。主要的可靠性问题是，如果一个高亮度LED发生故障而形成开路，高亮度LED串如何连续作业。在需要高可靠性光源的应用中，这个问题是至关重要的。 许多户外应用位于离开地面的位置，
7、因此，一个小的事故就会变成一个大的问题。在LED串联中，单个高亮度LED开路故障可能导致重大费用与不便，原因是必须对整个装配进行维修。 潜在LED旁路保护装置分析 为了保护单个高亮度LED，并防止整个高亮度LED串联在单个高亮度LED出现故障时熄灭，在高亮度LED终端必须安装旁路保护装置。有许多装置可以考虑，包括压敏电阻(MOV)、可控硅整流器(SCR)、稳压二极管、聚合静电放电保护器及LED开路保护器。 压敏电阻这些装置最适合于相对高能量的电源线路瞬变，特别是雷击及大型电感负载转换造成的瞬变。遗憾的是这些装置不能作出快速反应，无法保护LED免受低等级瞬变(可能造成LED故障)的危害。此外，如
8、果LED出现故障形成开路，压敏电阻也无法为电流提供路径，因此整个LED串将关闭。压敏电阻产生的热对发光二极管也可能是一个问题。 可控硅整流器在出现LED故障时，可控硅整流器可安排电流改变路径，使LED串的其余部份持续发光。但是，这些装置是一些大型装置，它们通常需要电阻式分压，以设置触发电压。不同温度上，可控硅整流器触发电压的变化可能会非常大。此外，反向阻断电压太高，而可控硅整流器无法提供反极性保护。 稳压二极管尽管稳压二极管通常比可控硅整流器小得多，但仍旧存在其他问题。当一个LED出现故障形成开路时，稳压二极管必须引导串联灯串中的所有电流。大部份稳压二极管有相对较低的电流额定值，因此其寿命在该
9、类型的应用中比较短。稳压二极管也会引起微环境热事件，从而可能导致LED发生更多故障。 高分子聚合物ESD保护器如同LED串的情况一样，通常这些设备专用于高速数字电路，而非用于DC线性保护。相较于硅装置相较，它们有较高的动态电阻，因此钳位电压太高，不能保护易碎的LED。此外，它们不能提供过载保护，也无法提供反极性保护。 LED开路保护器这些装置特别设计用于保持串联LED灯串的其余部份，在一个LED出现故障时，仍能够正常运转。它们是紧密的硅基装置，安装在每个LED终端。作为旁路装置，它们能够在开路LED周围安排路径发送电流，使LED串的其余部份仍持续照明。一些LED开路保护器还提供静电放电/照明及
10、反极性保护，从而可减少照明电路成本，消除对附加保护组件的需求。 LED开路保护器运作 LED开路保护器是安装在LED内部触发的两个终端装置，如果LED自行修复或被更换，它会自动重置。这种保护器是电压触发开关，漏电量低，与mA开关相似，当它被触发时(图3)，就变成低阻抗的mA开关，可大幅地减少功率消耗。通路状态的LED下降约0.7V，这并不足以打开保护器装置。一旦有一个LED出现故障形成开路，有足够的电路电压来触发保护器至通路状态(?定电流输出电压由LED驱动电路提供)。图3中描述的PLED6系列也是以内建抗突波为特征的，有助于保护LED免受附近雷击或静电放电事件引发的突波。 图4：典型的LED
11、开路保护器 V-I特征。以Littelfuse PLED6系列装置作为典型LED开路保护器为例，图4显示关键参数为VBR、IS、IH、IT与VT。如V-I曲线所示，VBR定义该装置的断开电压额定值至击穿电压额定值之间的区域。在断开状态下，VBR是可应用于该装置的DC与AC电压的连续峰值组合，这导致通过该装置的电流小于5A(从6至33V DC的各类最低VBR额定值都是可行的)。IS是电流值，当应用最低VBR时，它可导致装置从断开状态切换到通路状态。IS最大值通常为100mA。持续电流(IH)是维持装置处于通路状态时的最低电流需求(通常为5mA)。通路状态电压(VT)是全传导期间穿过装置的最大电压
12、。IT是在通路状态下，两秒内可通过装置的最大电流额定值(最大值为1A)。LED串电流通常远低于该值，从而使LED开路保护器继续保持下去。 理想情况下，在LED开路保护方案中，每个LED都有一个保护装置。但是，低成本的保护方案也可能发挥作用。例如，当选择适当的LED开路装置时，可在串联中的两个LED上安装一个PLED。一个LED故障会导致两个LED变暗，但这可节省一半的电路保护成本。 图5：V-I曲线显示第三象限的极性保护能力。结论 照明设备制造商正朝着制造LED方向转型，因为LED设备成本低、性能高、维护少，其寿命还可持续数万小时。但是，它们仍然需要防静电保护，尤其是在高可靠性应用方面，例如在恶劣环境中部署的安全关键照明设备。事实上，与传统照明设备相较，户外LED照明设备的可靠性较低，除非设计师增加了适当的电路保护，以防止最严重的过压情况出现。 第一道防线是良好的电路保护方案，把输入电源延伸至各个LED。LED开路保护装置可因应重大的超电压瞬变，当一个LED产生故障形成开路时，保持串联的其他LED仍旧可以照明。尽管这样的保护是有益的，但它仍然只是整体保护方案的一部份，整体保护方案应包括保护交换式电源与LED驱动器的熔丝、MOV与TVS装置。
