PPTC器件保護(hù)高亮度LED照明系統(tǒng)

隨著照明技術(shù)從極為耗電的白熾燈轉(zhuǎn)為冷陰極熒光燈（CCFL），再發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)光二極管（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成本的同時(shí)，他們也有一個(gè)內(nèi)在的期望即壽命更長和更高的可靠性，這才將是他們投資的凈效益。

在滿足這些期望時(shí)，LED設(shè)計(jì)工程師們必須考慮到影響產(chǎn)品性能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度，再到過壓和過溫保護(hù)，LED技術(shù)的獨(dú)特性帶來了較陳舊的與技術(shù)不相干的各種新挑戰(zhàn)。

憑借改善的芯片設(shè)計(jì)和材料，LED技術(shù)已經(jīng)快速向前發(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，并能夠在一個(gè)更大的范圍內(nèi)應(yīng)用。盡管技術(shù)日益普及，但仍然有一個(gè)事實(shí)，即過多的熱量和不恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用能夠顯著的影響LED壽命和性能。

高亮度LED（HB LED）是節(jié)能、高性價(jià)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設(shè)備的背光和新型消費(fèi)電子（如照相手機(jī)中的閃光燈），HB LED照明的應(yīng)用將持續(xù)增長。

HB LED照明系統(tǒng)中的過流情況

LED光輸出隨芯片類型、封裝、每個(gè)晶圓批次的效率和其它變量而變化。LED制造商使用如高亮度這樣的術(shù)語來形容LED的密度。HB LED驅(qū)動器可由線性或者開關(guān)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)動器是最合適的，電阻會用于限制其電流。開關(guān)電源亦會經(jīng)常使用，因?yàn)樗鼈兏咝А?/P>

通常，電流感應(yīng)電阻器為電流調(diào)節(jié)控制器提供了反饋，以監(jiān)控供應(yīng)給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系數(shù)（PPTC）器件來限制流過LED的電流。

圖1、典型的用于HB LED照明的電流保護(hù)設(shè)計(jì)

如圖1所示，一個(gè)PPTC器件是一個(gè)電路中的一系列要素之一。通常PPTC器件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會對正常的電路性能造成影響。然而，一旦發(fā)生一次過流的情況，該器件會增加電阻（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)熱原理帶來的器件溫度迅速升高而引起。

器件會一直保持其跳閘或者閂鎖狀態(tài)直到故障被排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC器件會復(fù)位并允許電流重新開始流動，使電路恢復(fù)正常工作。當(dāng)PPTC器件不能夠阻止一次故障發(fā)生時(shí)，它們會迅速做出反應(yīng)，將電流限制到一個(gè)安全的等級以幫助防止對下游器件隨之而來的損壞。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。

HB LED照明的過溫保護(hù)

與傳統(tǒng)照明不同，由于HB LED是極其熱敏感，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結(jié)不能夠達(dá)到導(dǎo)通溫度。由于PPTC器件采用的是熱激活，因此器件周圍溫度的任何變化都會影響其性能。隨著器件周圍的溫度增加，更少的能量就要求器件跳閘，因此其能夠鉗住并降低電流值。

PPTC器件的工作原理

　PPTC電路保護(hù)器件采用半晶體狀聚合物與導(dǎo)電性顆粒復(fù)合制成。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)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(Tsw)時(shí)，無論這種狀況是由大電流造成的還是由于環(huán)境溫度的上升造成，聚合物內(nèi)的晶體物質(zhì)都將會融化并成為無定形物質(zhì)。在晶體相融化階段出現(xiàn)的體積增大會導(dǎo)致導(dǎo)電性顆粒在液力作用下分隔，并使器件的電阻值出現(xiàn)巨大的非線性增長，如圖2所示。

圖2、PPTC器件保護(hù)電路為響應(yīng)過流或過溫情況，從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)到高電阻狀態(tài)

典型情況下，電阻值將增加3個(gè)或者更多的數(shù)量級。電阻值增加后能夠?qū)⒐收蠗l件下流經(jīng)的電流數(shù)量降低到一個(gè)較低的穩(wěn)態(tài)水平，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之前，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài)；而在導(dǎo)電性復(fù)合材料冷卻下來并重新結(jié)晶后，PPTC器件將重新恢復(fù)低阻值狀態(tài)。

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

圖3、PPTC器件的典型工作曲線

相反，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，器件會穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，可能再次到達(dá)如原理圖中的第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，將會引起器件升溫并達(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)致器件產(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3中第3點(diǎn)與第4點(diǎn)之間所示。這是處于PPTC器件跳閘時(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)之間的溫度變化很微小，這種關(guān)系將一直保持直到器件達(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，則器件會一直閂鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開，電源循環(huán)啟動后，PPTC器件將復(fù)位到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖4、PPTC器件跳閘前后的電路狀態(tài)

圖4說明了PPTC跳閘前后保護(hù)HB LED照明系統(tǒng)的電路。該圖表明了在跳閘后電流是如何被降低，從而保護(hù)電路免受過流、過溫情況所造成的損壞。

符合第二類（Class 2）電源安全標(biāo)準(zhǔn)

在一個(gè)照明系統(tǒng)中采用第二類電源可成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。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)器件，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)器件，當(dāng)電流和能量輸出達(dá)到預(yù)定值時(shí)它會自動中斷輸出。

各種各樣的電路保護(hù)器件都能對用于LED照明應(yīng)用的第二類電源提供保護(hù)。圖5說明了一種協(xié)同保護(hù)策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個(gè)MOV，并在輸出電路分支上采用了一個(gè)PolySwitch PPTC器件，可以幫助廠商滿足UL1310規(guī)范第35.1小節(jié)針對開關(guān)和控制裝置的過載試驗(yàn)要求。

圖5、第二類電源的協(xié)同保護(hù)原理圖

總結(jié)

可復(fù)位PPTC器件在多樣化的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，它們在超出額定值后可限制電流。然而又不同于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，PPTC器件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復(fù)位。由于其采用熱激活，因此可以防止電路在過溫條件下所造成的損壞。這種獨(dú)特的功能可以幫助設(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)不同線路布局、板型、特定元器件和具體應(yīng)用的各種特殊設(shè)計(jì)考慮。