高亮度LED照明系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)參考

隨著照明技術(shù)從極為耗電的白熾燈轉(zhuǎn)到冷陰極燈管(CCFL)，再發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)光二極體(LED)燈，可以很清楚地看到在最終用戶愿意為更綠色的照明支付更高的成本的同時(shí)，他們也有一個(gè)內(nèi)在的期望，即壽命更長(zhǎng)和更高的可靠性才將是他們投資的凈效益。

在滿足這些期望的同時(shí)，LED設(shè)計(jì)工程師們必須考慮到影響他們產(chǎn)品效能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度、再到過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)，LED技術(shù)的獨(dú)特性帶來(lái)了較陳舊的技術(shù)不相干的各種新挑戰(zhàn)。

憑藉改善的晶片設(shè)計(jì)和材料，LED技術(shù)已經(jīng)快速發(fā)展，促使其向更亮、更高效節(jié)能、壽命更持久的光源快速發(fā)展，并能夠應(yīng)用在更廣泛的範(fàn)圍。儘管技術(shù)日益普及，但仍然有一個(gè)事實(shí)，即過(guò)多的熱量和不恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用會(huì)顯著影響LED壽命和效能。

高亮度LED(HB LED)是節(jié)能的、高價(jià)效比的設(shè)備，能夠確保下一代的照明解決方案。從建筑照明到汽車照明到各種顯示裝置的背光、和新型消費(fèi)性電子(如照相手機(jī)中的閃光燈)，HB LED照明的應(yīng)用持續(xù)成長(zhǎng)。

HB LED照明系統(tǒng)中的過(guò)流情況

LED光輸出隨晶片類型、封裝、每個(gè)晶圓批次的效率和其他變數(shù)而變化。LED製造商使用如高亮度這樣的術(shù)語(yǔ)來(lái)形容LED的密度。HB LED驅(qū)動(dòng)器可由線性或者交換式電源供電。當(dāng)電源電壓略微大于負(fù)載電壓時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器是最合適的，電阻會(huì)用于限制其電流。交換式電源亦會(huì)經(jīng)常使用，因?yàn)樗鼈兏咝А?/P>

通常，電流感應(yīng)電阻為電流調(diào)節(jié)控制器提供了回饋，以監(jiān)控供應(yīng)予HB LED的電流。另一個(gè)可選的解決方案就是使用聚合物正溫度係數(shù)(PPTC)元件來(lái)限制流過(guò)LED的電流。

如圖1所示，一個(gè)PPTC元件是一個(gè)電路中的一系列要素之一。通常PPTC元件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會(huì)對(duì)正常的電路效能造成影響。然而，一旦過(guò)流的情況發(fā)生，該元件會(huì)增加電阻(跳閘)，并且將電路中的電流降低到一個(gè)任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發(fā)熱塬理帶來(lái)的元件溫度迅速升高的引起。

圖1：用于HB LED照明的電流保護(hù)設(shè)計(jì)。

元件會(huì)一直保持其跳閘或者閉鎖狀態(tài)直到故障排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC元件會(huì)復(fù)位并允許電流重新開(kāi)始流動(dòng)，使電路恢復(fù)正常工作。當(dāng)PPTC元件不能夠阻止故障的發(fā)生時(shí)，它們會(huì)迅速作出反應(yīng)，將電流限制到安全的等級(jí)以防止對(duì)下游元件隨之而來(lái)的損壞。此外，它們的小型化外形使得它們易于在空間受限的應(yīng)用中使用。

與傳統(tǒng)照明不同，由于HB LED極具熱敏感，其熱管理是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命， PN接面不能允許導(dǎo)通溫度的提高。由于PPTC元件採(cǎi)用的是熱啟動(dòng)，因此元件周圍溫度的任何變化都會(huì)影響其效能。隨著元件周圍的溫度增加，更少的能量就要求元件跳閘，因此其能夠使鉗住電流值并使其降低。

PPTC元件的工作塬理

PPTC電路保護(hù)元件採(cǎi)用半晶體狀聚合物與導(dǎo)電性顆粒復(fù)合製成。在正常溫度下，這些導(dǎo)電性顆粒在聚合物內(nèi)構(gòu)成了低電阻的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度上升到元件的切換溫度(Tsw)時(shí)，無(wú)論這種狀況是大電流造成的，還是由于環(huán)境溫度的上升造成的，聚合物內(nèi)的晶體物質(zhì)將會(huì)融化并成為無(wú)定形物質(zhì)。在晶體相融化階段出現(xiàn)的體積增大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性顆粒在液力作用下分隔，并使元件的電阻值出現(xiàn)巨大的非線性成長(zhǎng)。

典型情況下，電阻值將增加3個(gè)或者更多的數(shù)量級(jí)。電阻值增加后能夠?qū)⒐收蠗l件下流經(jīng)的電流數(shù)量降低到較低的穩(wěn)態(tài)水準(zhǔn)，從而保護(hù)電路內(nèi)的設(shè)備。在故障排除以及電路電源斷開(kāi)以前，PPTC元件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài);而在導(dǎo)電性復(fù)合材料冷卻下來(lái)并重新結(jié)晶后，PPTC元件將重新恢復(fù)低阻值狀態(tài)。

在正常工作情況下，PPTC元件產(chǎn)生的或者散失的熱量處于一個(gè)相對(duì)低溫的平衡狀態(tài)，如圖2中的1點(diǎn)所示。當(dāng)環(huán)境溫度不變而流過(guò)元件的電流增加時(shí)，元件所產(chǎn)生的熱量也會(huì)隨之增加。如果增加的電流是微不足道的其所產(chǎn)生的熱量能夠散失到環(huán)境中，元件會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，如圖3中的2點(diǎn)所示。

圖2：PPTC元件保護(hù)電路為回應(yīng)過(guò)流或者過(guò)溫情況，從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)到高電阻狀態(tài)。

圖3：PPTC元件的典型工作曲線。

相反的，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，元件會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，可能再次到達(dá)如塬理圖中的第2點(diǎn)。第2點(diǎn)也可能為電流和溫度增加共同作用下的結(jié)果。隨著電流、溫度或者兩者結(jié)合的進(jìn)一步增加，將會(huì)引起元件升溫并達(dá)到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3點(diǎn)所示，這就是所謂的曲線低端拐點(diǎn)。任何進(jìn)一步的電流或者環(huán)境溫度增加將導(dǎo)致元件產(chǎn)生熱量的速度比其向環(huán)境中散失熱量的速度更快，使其溫度迅速的升高。

在這個(gè)階段中，隨著非常小的溫度變化將產(chǎn)生一個(gè)非常大的電阻值升高，如圖中第3點(diǎn)與第4點(diǎn)之間所示。這是處于PPTC元件跳閘時(shí)的一個(gè)正常的工作區(qū)域。電阻增大導(dǎo)致電路中流經(jīng)的電流相應(yīng)的減少。

因?yàn)榈?點(diǎn)和第4點(diǎn)之間的溫度變化之間是很微小，這種關(guān)係將一直保持直到元件達(dá)到曲線上第4點(diǎn)的上拐點(diǎn)。只要外部施加的電源電壓保持在這個(gè)電平，則元件會(huì)一直閉鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開(kāi)、電源迴圈啟動(dòng)后，PPTC元件將重定到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖4說(shuō)明了PPTC跳閘前后保護(hù)HB LED照明系統(tǒng)的電路。此圖表明瞭在跳閘后電流是如何被降低，從而保護(hù)電路免受過(guò)流、過(guò)溫情況所造成的損壞。

圖4：PPTC元件跳閘前后的電路狀態(tài)

符合第二類(Class 2)電源安全標(biāo)準(zhǔn)

在一個(gè)照明系統(tǒng)中採(cǎi)用第二類電源可成為降低成本、提高彈性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源，如變壓器、電源供應(yīng)器或電池等，可能包含保護(hù)元件，只要它們不依賴于第二類電源的輸出限制即可。

非自有限制型電源，按照其定義，具有一個(gè)分立在外的保護(hù)元件，當(dāng)電流和能量輸出達(dá)到預(yù)定值時(shí)它會(huì)自動(dòng)中斷輸出。

各種各樣的電路保護(hù)元件都能對(duì)用于LED照明應(yīng)用的第二類電源源提供保護(hù)。圖5說(shuō)明了一種協(xié)同保護(hù)策略的工作塬理，它在交流輸入上採(cǎi)用了一個(gè)MOV，并在輸出電路分支上採(cǎi)用了一個(gè)PolySwitch PPTC元件，可以?明廠商滿足UL1310規(guī)範(fàn)第35.1小節(jié)針對(duì)開(kāi)關(guān)和控制裝置的超載試驗(yàn)要求。

圖5、第二類電源的協(xié)同保護(hù)塬理圖

本文小結(jié)

自復(fù)式PPTC元件在多樣化的HB LED照明系統(tǒng)應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出了有效性。與傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲一樣，它們?cè)诔鲱~定值后可限制電流。然而又不同于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，PPTC元件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復(fù)位。由于其採(cǎi)用熱啟動(dòng)，因此可以防止電路在過(guò)溫條件下所造成的損壞。這種獨(dú)特的功能可以?明設(shè)計(jì)師提高照明系統(tǒng)的可靠性和平均壽命，以及減少元件數(shù)量和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

與任何電路保護(hù)策略一樣，一個(gè)解決方案的有效性將取決于每個(gè)不同線路佈局、板型、特定元元件和具體應(yīng)用的各種特殊設(shè)計(jì)考慮。TE電路保護(hù)部與OEM廠商一起選擇和實(shí)施最佳方法。