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LED電源保護方案及損壞常見原因

2018-12-21

大功率白光LED作为新型綠色照明技術,有光轉換效率高、能耗低、壽命長、無需維護等優點,逐漸被應用于各種照明領域。LED的長壽命是基于其安全的工作環境,對于LED照明來講,主要有兩種威脅影響其壽命:一是過電沖擊,就是LED上施加的電流超過該LED技術数据手冊中的最大額定電流,包括過壓引起的過電沖擊;另一種是過熱損傷。這些損壞可以表現为器件的立即失效,也可能發生在過電流沖擊事件後許久才失效,縮短LED工作壽命。


LED燈具損壞的原因

LED燈具失效一是來源于電源和驅动的失效,二是來源于LED器件本身的失效。通常LED驅动電源和驅动的損壞來自于輸入電源的過電沖擊(EOS)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅动電路中驅动芯片的損壞,以及電容等被动元件發生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅动電路的過電流驅动,驅动電路有可能發生短路損壞或有短路故障導緻的過熱損壞。 LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。


1.靜電放電事件
靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導體器件制造、運輸和應用中最为常見的一種瞬态過壓危害,而LED照明系統則須滿足IEC61000-4-2标準的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電,以防止系統在靜電放電时有可能導緻的過電沖擊失效。

LED PN結陣列性能将出現降低或損壞,如圖2所示。ESD事件放電通路導緻的LED芯片的内部失效,這種失效可能隻是局部功能損壞,嚴重的話也會導緻LED永久損壞。


2.瞬态過流事件
瞬态過流事件是指流過LED的電流超過該LED技術数据手冊中的最大額定電流,這可能是由于大電流直接産生也可能是由高電壓間接産生,如瞬态雷擊、開關電源的瞬态開關噪聲、電網波动等過壓事件引起的過流。這些事件都是瞬态的,持續时間極短,通常ST岩石将其稱为尖峰,如“電流尖峰”、“電壓尖峰”。造成瞬态過流事件的情況還包括LED接通電源,或是帶電插拔时的瞬态過電流。
對于汽車中的LED照明,ISO7637-2的瞬态抛負載浪湧沖擊則是其正常工作的一個重要威脅。

LED遭受過電沖擊後的失效模式并非固定,但通常會導緻焊接線損壞,如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬态過電流引起。除了導緻焊接線燒斷外,還可能導緻靠近焊接線的其他部分損壞,例如密封材料。


LED燈具損壞常見原因及保護方案

對于接近80%能量都轉化为熱量的LED照明設計而言,熱管理和故障過熱保護是其面臨的一個挑戰。理論和实踐都已經證明,LED的性能和壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關。當LED芯片内結溫升高10℃,光通量就會衰減1%,LED的壽命就會減少50%。


電源及驅动電路的保護
由于LED電源驅动電路容易遭受過電沖擊和短路故障而損壞,因此在驅动電路設計中要充分考慮各種故障狀态的保護措施,以提高電路的可靠性,從而降低返修率。泰科電子的LVR系列PTC可以实現交流電源的過流和短路保護,ROV用于過電沖擊和浪湧保護。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過壓過流綜合保護元件,LED燈串中的表面貼系列則是实現負載過流或斷路故障保護。
LED燈具損壞常見原因及保護方案
PPTC在LED照明中的過流和過熱保護
雖然許多高端LED驅动器件逐漸集成了過流、過熱等保護功能,但在許多場合,特别是過熱保護方面,仍然需要分立元器件方案作为協同保護方案,以使燈具具有更高的可靠性和更長的壽命。

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