室內(nèi)LED燈具的電路保護(hù)設(shè)計(jì)

作者/ William Shenberger Littelfuse公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

摘要：燈具設(shè)計(jì)需要針對(duì)過電流保護(hù)設(shè)計(jì)安全斷開的小尺寸保險(xiǎn)絲，本文介紹了室內(nèi)LED燈具保護(hù)電路設(shè)計(jì)的相關(guān)要求及設(shè)計(jì)人員需要考慮的問題。

引言

　　最初設(shè)計(jì)的室內(nèi)LED燈具，設(shè)計(jì)人員面臨著各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些瓶頸包括交直流逆變電路的功率轉(zhuǎn)換、熱功耗考慮/散熱、當(dāng)前燈泡尺寸的物理空間限制、瞬態(tài)電氣脈沖，這些都是除了驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的基本電路設(shè)計(jì)之外的技術(shù)瓶頸。這些挑戰(zhàn)中最重要的一個(gè)是針對(duì)LED顆粒以及其上游電路中的所有主被動(dòng)元件提供瞬態(tài)脈沖保護(hù)。這些瞬態(tài)脈沖通常是交流輸入電路中的雷擊感應(yīng)浪涌。這些浪涌意味著LED燈具需要過流及過壓保護(hù)。

1 LED燈具結(jié)構(gòu)

　　對(duì)LED燈具的功能及高亮度的需求增長(zhǎng)意味著驅(qū)動(dòng)電路板上的器件越來越多。大功率LED驅(qū)動(dòng)形成高亮度輸出，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱功耗，這意味著需要更大的散熱片。因?yàn)長(zhǎng)ED燈具旨在與現(xiàn)有的白熾燈和CFL燈具(如通常用于家用照明的主流A19燈具)在封裝形式上兼容，都包含有一條交流/直流變換的電源驅(qū)動(dòng)電路，因此可以在標(biāo)準(zhǔn)燈具插座上使用(圖1)。由于燈具內(nèi)的元件和(或者)電路故障引起的短路或過載現(xiàn)象，都可能導(dǎo)致直接連接在交流電源中的任何元器件損壞。此外，雷擊感應(yīng)浪涌或開關(guān)機(jī)脈沖(燈具外部產(chǎn)生)產(chǎn)生的尖峰電壓或振鈴波會(huì)對(duì)燈具內(nèi)部的元件造成壓力并最終造成元件損壞。

　　一只LED燈具包括圖2中所示的基本電路模塊，其中從右到左依次為：

　　? 多晶片及單晶片LED顆粒采用串聯(lián)連接配置，稱之為L(zhǎng)ED燈串。多個(gè)串聯(lián)LED燈串并聯(lián)并由同一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)。

　　? 具有相應(yīng)保護(hù)電路的LED燈串驅(qū)動(dòng)電路中，包括串聯(lián)在回路中的針對(duì)過流保護(hù)(OCP)的正溫度系數(shù)(PTC)電阻和并聯(lián)在回路中的用于過壓保護(hù)(OVP)的 TVS 二極管。

　　? DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路中，包括在輸入端上針對(duì)下游元件的次級(jí)過壓保護(hù)的并聯(lián)TVS 二極管。

　　? 交流整流電路中，包括在輸出端上針對(duì)下游元件次級(jí)過流保護(hù)的串聯(lián)高壓直流保險(xiǎn)絲。

　　? EMI 濾波元件。

　　? 交流輸入電路中，由火線(L)上的串聯(lián)交流保險(xiǎn)絲和火線(L)—零線(N)間并聯(lián)的MOV組成。

2 LED燈具的電路保護(hù)

　　交流輸入電路中，交流保險(xiǎn)絲是燈具的主要過電流保護(hù)器件。如果針對(duì)所有必要的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行正確選擇，當(dāng)由于感應(yīng)瞬變和短路/過載所導(dǎo)致的過度電性應(yīng)力(EOS)產(chǎn)生時(shí)，這種保險(xiǎn)絲通過將所有電路與交流輸入安全地?cái)嚅_，充分保護(hù)所有下游元件免受損壞。

　　鑒于與LED燈具設(shè)計(jì)相關(guān)的空間限制，針對(duì)交流輸入選擇一個(gè)緊湊型的交流保險(xiǎn)絲是至關(guān)重要的。保險(xiǎn)絲的功能是在電流過載情況下可靠且可預(yù)測(cè)的熔斷來為元件和完整的電路提供保護(hù)。換句話說，保險(xiǎn)絲是電路中的薄弱環(huán)節(jié)。串聯(lián)在交流線路輸入端的交流保險(xiǎn)絲能提供短路和過載保護(hù)。如今，交流保險(xiǎn)絲具有廣泛的額定電流與額定電壓范圍，可應(yīng)用于最小的結(jié)構(gòu)中。還有一系列其他的關(guān)鍵保險(xiǎn)絲參數(shù)和可表面貼裝的設(shè)計(jì)供使用，使設(shè)計(jì)工程師能夠選擇出滿足所有應(yīng)用要求的保險(xiǎn)絲。

　　具有足夠的I2T額定值的交流保險(xiǎn)絲是通過按照IEEEC.62.41標(biāo)準(zhǔn)要求的能源之星振鈴測(cè)試所必需的器件。標(biāo)稱的熱熔值I2T(單位：安培平方秒，A2sec)規(guī)定了熔斷保險(xiǎn)絲熔絲所需的能量大小。通常，根據(jù)標(biāo)稱熱熔值I2T選擇的保險(xiǎn)絲適用于保險(xiǎn)絲必須承受較短持續(xù)時(shí)間的大電流脈沖的應(yīng)用。LED照明應(yīng)用的浪涌抗擾度測(cè)試需要符合8×20μs的組合波形。即使其標(biāo)稱熱熔值I2T超過了波形能量的熱熔值，不同的保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)對(duì)浪涌事件也不會(huì)有相同的反應(yīng)方式。例如，電力浪涌脈沖產(chǎn)生熱循環(huán)，可以使保險(xiǎn)絲產(chǎn)生機(jī)械疲勞從而縮短其壽命。

　　LED照明燈具的交流輸入端的壓敏電阻(MOV)是初級(jí)過壓保護(hù)器件。如果針對(duì)所有必要的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行正確選擇，它將可以通過鉗制短時(shí)電壓脈沖，保護(hù)所有下游元件免受因感應(yīng)瞬變和環(huán)波效應(yīng)所導(dǎo)致的電應(yīng)力(EOS)的損壞。當(dāng)由于感應(yīng)瞬變和短時(shí)嵌位電壓脈沖產(chǎn)生的振鈴導(dǎo)致的過度電性應(yīng)力(EOS)發(fā)生時(shí)，MOV保護(hù)所有下游元件免受損壞。MOV提供了一種最大程度降低瞬變能量的高性價(jià)比的方案，防止其可能會(huì)進(jìn)入下游元件。正確的 MOV器件選型要以諸多電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，包括額定電壓、峰值脈沖電流、能量等級(jí)、圓盤尺寸和引腳方式。

3 設(shè)計(jì)LED照明燈具需要考慮的問題

　　LED照明燈具的設(shè)計(jì)人員需要考慮各種重要的問題，針對(duì)交流輸入電路選擇合適的交流保險(xiǎn)絲：

　　? 第一步是找到關(guān)于應(yīng)用的一些技術(shù)問題的答案。在過去，理解和回答這些技術(shù)問題，然后通過元件規(guī)格書搜索針對(duì)某種應(yīng)用選擇合適的保險(xiǎn)絲，這是一項(xiàng)非常令人困惑和耗時(shí)的工作。這些問題包括燈具的正常工作電流、工作電壓、環(huán)境溫度、過載電流水平和保險(xiǎn)絲熔斷需要的時(shí)間、最大允許故障電流以及脈沖、浪涌電流、瞬間熱插拔脈沖、啟動(dòng)電流和電路瞬變等。

　　? Littelfuse 還提供一種以《保險(xiǎn)絲選型指南》為基礎(chǔ)的強(qiáng)大的在線選型工具 - iDesign保險(xiǎn)絲選型指南。它旨在幫助電路設(shè)計(jì)人員為它們的項(xiàng)目確定最佳的電子保險(xiǎn)絲。iDesign工具提供了一種快速、直觀的方法來確定適合應(yīng)用的最佳元件，找出元件的說明文檔，并訂購(gòu)元件樣品以進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。它通過保險(xiǎn)絲選型步驟，根據(jù)所提供的輸入信息快速縮小可選范圍，幫助設(shè)計(jì)人員選擇到合適的保險(xiǎn)絲。

　　? 在初始設(shè)計(jì)時(shí)，知道燈具將要出售的市場(chǎng)是至關(guān)重要的。根據(jù)燈具是否在美國(guó)、北美的其他地方，歐洲、亞洲或其他區(qū)域使用，設(shè)計(jì)和測(cè)試必須要滿足不同的標(biāo)準(zhǔn)。

　　? 確定可能影響可使用的保險(xiǎn)絲的尺寸限制。保險(xiǎn)絲可以使用多種方法進(jìn)行封裝，但表面貼裝設(shè)計(jì)是LED照明應(yīng)用中最常見的封裝形式。幸運(yùn)的是，對(duì)于電路設(shè)計(jì)人員來說，現(xiàn)在可以使用更小尺寸的保險(xiǎn)絲來保護(hù)交流輸入，其中一些的尺寸只有以前可用的最小保險(xiǎn)絲的一半。

　　? 電流流過保險(xiǎn)絲產(chǎn)生的溫度隨著環(huán)境溫度的變化而增加或減少。請(qǐng)注意，保險(xiǎn)絲的“環(huán)境溫度”并非正如其名，等同于“室溫”。相反，環(huán)境溫度是保險(xiǎn)絲周圍空氣的溫度，通常遠(yuǎn)高于室溫，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲可能會(huì)被封裝在(例如在保險(xiǎn)絲座中)或安裝在LED板的發(fā)熱部件附近。對(duì)于25攝氏度的環(huán)境溫度，通常建議保險(xiǎn)絲的工作電流不超過額定電流的75%。保險(xiǎn)絲本質(zhì)上是溫度敏感的器件，所以當(dāng)保險(xiǎn)絲100%滿載到額定值時(shí),即使很小的溫度變化也可能會(huì)極大地影響保險(xiǎn)絲的預(yù)期壽命。

　　? 確定應(yīng)用所需的分?jǐn)嗄芰?。分?jǐn)嗄芰σ部赡鼙环Q為熔斷額定值或短路額定值(I2T值)。這是保險(xiǎn)絲在額定電壓條件下可以安全熔斷的最大許可電流。在故障或短路狀態(tài)下，保險(xiǎn)絲可能承受一個(gè)遠(yuǎn)高于正常工作電流的瞬間過載電流。斷開意味著完好無損(無爆炸或本體破裂)并切斷電路。

　　? 確保在生產(chǎn)之前有足夠的時(shí)間進(jìn)行全面的應(yīng)用測(cè)試和驗(yàn)證。如果初始設(shè)計(jì)沒有通過其中任何一項(xiàng)測(cè)試，請(qǐng)確保在計(jì)劃中有足夠的余地來修改設(shè)計(jì)并重新測(cè)試。

　　? 最后，設(shè)計(jì)人員必須將保險(xiǎn)絲與下游過壓保護(hù)器件和LED燈串驅(qū)動(dòng)電路配合好。在LED燈具設(shè)計(jì)過程之初，必須考慮到瞬態(tài)抑制。保險(xiǎn)絲的選型必須要能滿足規(guī)格定義的能量沖擊，避免LED燈串驅(qū)動(dòng)電路受到不利影響。交流輸入電路上的保險(xiǎn)絲和MOV，如果選型合適，當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)脈沖時(shí),無需保險(xiǎn)絲斷開就能實(shí)現(xiàn)過壓鉗位保護(hù)、安全地保護(hù)下游電路,同時(shí)最大程度降低了對(duì)LED燈串驅(qū)動(dòng)電路(包括LED燈串本身)的損傷。

　　? 然而，也有特定的LED照明燈具工作電路無法承受瞬態(tài)脈沖沖擊。在這些情況下，正如在前面關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的內(nèi)容中所指出的，添加一個(gè)用于過壓保護(hù)的輔助次級(jí)TVS二極管是一種經(jīng)過驗(yàn)證方案,可進(jìn)一步鉗制MOV的“殘壓”能量。在最極端的情況下，甚至還有一個(gè)額外的過流保護(hù)器件(如圖2的中部所示，交流整流模塊中的高壓直流保險(xiǎn)絲)和LED燈串中的過流保護(hù)器件(與LED燈串串聯(lián)的PTC)、過壓保護(hù)(與LED燈串并聯(lián)的TVS二極管)以及LED開路保護(hù)(與LED晶粒并聯(lián)的單個(gè)PLED)，以提供更強(qiáng)勁的電路保護(hù)。

　　? 保險(xiǎn)絲與過壓保護(hù)和LED驅(qū)動(dòng)器的搭配。

　　? 瞬態(tài)電壓抑制必須是初始設(shè)計(jì)過程的一部分;所選擇的的器件必須能夠減少瞬態(tài)脈沖能量,抑制住脈沖電壓，從而使驅(qū)動(dòng)電路不受影響。

　　? TVS二極管是最常用的一種抑制器件。TVS二極管專門設(shè)計(jì)用于保護(hù)電子電路，防止瞬態(tài)過電壓。作為一種硅半導(dǎo)體雪崩器件，它既有單向也有雙向。在單向TVS，特定的鉗位特性只在一個(gè)方向上表現(xiàn)出來，在另一個(gè)方向上顯示出的是類似于傳統(tǒng)的整流器二極管的正向?qū)妷?VF)特性。LED照明電源(驅(qū)動(dòng)器)通常在其電路中一個(gè)或多個(gè)位置上需要安裝TVS二極管。

　　? 瞬態(tài)脈沖的破壞潛力是由其峰值電壓、持續(xù)電流和脈沖寬度所決定的。當(dāng)用于保護(hù)諸如驅(qū)動(dòng)IC和LED晶粒等敏感元件時(shí)，瞬態(tài)抑制器的響應(yīng)時(shí)間極為重要。如果瞬態(tài)抑制器響應(yīng)速度慢，當(dāng)系統(tǒng)上出現(xiàn)了快速上升的瞬態(tài)尖峰時(shí)，在抑制器開始動(dòng)作前，通過被保護(hù)負(fù)載的尖峰電壓就已上升并起到破環(huán)作用

　　? 在選擇TVS二極管時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)重要的參數(shù)：

　　? 反向截止電壓(VR)。其中最重要的參數(shù)是VR，其必須等于或大于被保護(hù)電路(或電路的一部分)的峰值工作電壓。確保TVS在正常驅(qū)動(dòng)電壓下不會(huì)動(dòng)作。

　　? 峰值脈沖電流(IPP)。IPP是TVS所能承受的最大安全脈沖電流，通常以諸如10×1000μs的指數(shù)波形為參照表示。Ipp僅表示瞬態(tài)峰值電壓除以源阻抗的值。

　　? 最大鉗位電壓(VC)。VC是基于參照的指數(shù)波形,在脈沖峰值電流(IPP)流過TVS 器件時(shí)，TVS 兩端出現(xiàn)的峰值電壓。

　　? TVS二極管中的故障機(jī)制是短路。因此，如果TVS二極管因瞬態(tài)脈沖而出現(xiàn)故障，其所在的電路依然會(huì)受到保護(hù)。

4 結(jié)論

　　在LED 燈具設(shè)計(jì)初期階段就有完善的電路保護(hù)，并投入所需的時(shí)間和資源的設(shè)計(jì)人員將會(huì)收獲成功的產(chǎn)品和更好的用戶體驗(yàn)。由于交流保險(xiǎn)絲、交流MOV和TVS二極管等元件的最新進(jìn)展，到新一代設(shè)計(jì)人員誕生之前，下一代LED燈具就可能到來。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第74頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。