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分享:LED燈具損壞的常見原因及解決方案

作者: 時(shí)間:2011-10-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  將高功率白光作為新型綠色照明時(shí),將擁有諸如光轉(zhuǎn)換效率高、功耗低,壽命長(zhǎng),無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),因而逐漸被應(yīng)用于各種照明領(lǐng)域。的長(zhǎng)使用壽命是基于其安全的工作環(huán)境。對(duì)于照明來(lái)講,主要有兩種威脅影響其壽命;一種是過(guò)電沖擊,此處的過(guò)電沖擊就是LED上施加的電流超過(guò)該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大額定電流,包括過(guò)壓引起的過(guò)電流沖擊;另一種則是過(guò)熱損傷。這些損壞可以表現(xiàn)為組件的立即失效,也可能發(fā)生在過(guò)電沖擊事件后許久才失效,縮短LED工作壽命。

  損壞的原因

  失效一是來(lái)源于電源驅(qū)動(dòng)的失效,二是來(lái)源于LED組件本身的失效。通常LED電源和驅(qū)動(dòng)的損壞來(lái)自于輸入電源的過(guò)電沖擊(EOS)以及負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過(guò)電沖擊往往會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)芯片的損壞以及如電容等被動(dòng)組件發(fā)生擊穿損壞;而負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)電流驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)致的過(guò)熱損壞。
 
  
LED組件本身失效的情況

  瞬態(tài)過(guò)電流事件


  瞬態(tài)過(guò)電流事件,是指流過(guò)LED的電流超過(guò)該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大額定電流,這可能是由于大電流的直接產(chǎn)生,也可能是因高電壓間接產(chǎn)生,如瞬態(tài)雷擊,開關(guān)電源的瞬態(tài)開關(guān)噪聲,電網(wǎng)波動(dòng)等過(guò)壓事件引起的過(guò)流。這些事件都是瞬態(tài)的,持續(xù)時(shí)間極短,通常我們將其稱為尖峰,如“電流尖峰”,“電壓尖峰”。造成瞬態(tài)過(guò)流事件的情況還包括,LED接通電源或是帶電插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)電流。

  對(duì)于在汽車中的,ISO7637-2的瞬態(tài)拋負(fù)載突波沖擊,則是其正常工作的一個(gè)重要威脅。

  LED遭受過(guò)電沖擊后的失效模式并非固定,但通常會(huì)導(dǎo)致焊接線損壞,如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬態(tài)過(guò)電流引起,除了導(dǎo)致焊接線燒斷外,還可能導(dǎo)致靠近焊接線的其他部分損壞,例如密封材料。

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  靜電放電事件

  ESD損壞是目前高整合半導(dǎo)體組件制造,運(yùn)輸和應(yīng)用中最為常見的一種瞬態(tài)過(guò)壓危害,而系統(tǒng)則需要滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的“人體靜電放電模式”8KV接觸放電,以防止系統(tǒng)在靜電放電時(shí)有可能導(dǎo)致的過(guò)電沖擊失效。

  LED PN結(jié)數(shù)組性能降低或損壞,如圖2所示,ESD事件放電通路導(dǎo)致的LED芯片的內(nèi)部失效,這種失效可能只是局部功能損壞,嚴(yán)重的也會(huì)導(dǎo)致LED的永久損壞。

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  過(guò)熱損壞

  對(duì)于接近80%能量轉(zhuǎn)化為熱量消散的設(shè)計(jì)來(lái)講,熱管理和故障過(guò)熱保護(hù)是其面臨的一個(gè)重要課題,理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明,LED的性能和壽命是與LED的pn結(jié)工作溫度緊密相關(guān)的。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)溫升高10℃時(shí),光通量就會(huì)衰減1%,LED就減少壽命50%。

  電源及驅(qū)動(dòng)電路的防護(hù)

  由于LED電源和驅(qū)動(dòng)電路容易遭受過(guò)電沖擊和短路故障損壞,因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中,需要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護(hù)措施,以提高電路的可靠性,降低回修率(圖3)。

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  PPTC在LED照明中的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)

  雖然很多高端LED驅(qū)動(dòng)組件逐漸整合了過(guò)電流、過(guò)溫等保護(hù)功能,但在許多場(chǎng)合,特別是過(guò)熱保護(hù)方面,仍然需要分立組件方案作為協(xié)同保護(hù)方案,以使得燈具具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。

  PPTC就是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻,是由聚合物與導(dǎo)電粒子等構(gòu)成。在經(jīng)過(guò)特殊加工后,導(dǎo)電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路。當(dāng)正常工作電流通過(guò)(或組件處于正常環(huán)境溫度)時(shí),PPTC呈低阻狀態(tài);當(dāng)電路中有異常過(guò)電流通過(guò)(或環(huán)境溫度升高)時(shí),大電流(或環(huán)境溫度升高)所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹,切斷了導(dǎo)電粒子所構(gòu)成的導(dǎo)電通路,PPTC呈高阻狀態(tài);當(dāng)電路中過(guò)電流(超溫狀態(tài))排除后,聚合物冷卻,體積恢復(fù)正常,其中導(dǎo)電粒子又重新構(gòu)成導(dǎo)電通路,PPTC又呈現(xiàn)初始的低阻狀態(tài)。PPTC的體積小,成本低,可反復(fù)使用,因而能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)恢復(fù)。

  在LED照明中,根據(jù)燈具應(yīng)用場(chǎng)合的不同有不同的過(guò)熱保護(hù)要求,通常分為兩種,分別為達(dá)到規(guī)定溫度立即斷開關(guān)斷保護(hù)(圖4),此種保護(hù)通常應(yīng)用于道路交通號(hào)志;另外則是到達(dá)一定溫度時(shí)啟動(dòng)保護(hù),進(jìn)行降電流驅(qū)動(dòng)(圖5),此種保護(hù)通常應(yīng)用于室內(nèi)照明和道路照明。

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圖4

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圖5

  在串聯(lián)相結(jié)合的巨型數(shù)組照明、或景觀燈的過(guò)電流和過(guò)熱保護(hù)在成本與保護(hù)方案的相互平衡中,通常有兩種保護(hù)方案可用:

  1.分路保護(hù)(圖6)。對(duì)于多串的LED系統(tǒng),我們可以在每隔支路上串聯(lián)一顆 PPTC分別進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是可以實(shí)現(xiàn)精確保護(hù),不會(huì)因?yàn)槟骋恢返墓收隙鴮?dǎo)致整個(gè)燈具的不工作,保護(hù)的可靠性好。

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  2.主干路保護(hù)(圖7)。這種保護(hù)就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC,對(duì)整個(gè)燈具進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是成本低,占板面積小。

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此外,PPTC可以作為溫度傳感器與LED驅(qū)動(dòng)器配合使用,實(shí)現(xiàn)LED數(shù)組照明的過(guò)熱保護(hù)(圖8),在大型數(shù)組照明中,由于LED燈串眾多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)過(guò)熱故障的位置往往并不固定于某個(gè)特定的位置。因此,單顆過(guò)熱檢測(cè)組件很難提供完善的過(guò)熱保護(hù)。而PPTC在正常工作下的低電阻,以及它的正溫度系數(shù)特性,可以方便的將數(shù)顆PPTC串聯(lián)于熱保護(hù)檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)過(guò)熱監(jiān)控。將多個(gè)PPTC串聯(lián)、并物理安裝于可能出現(xiàn)過(guò)熱的部位,由于PPTC的低電阻,THRM引腳位準(zhǔn)為0,電源電路正常工作;當(dāng)燈具某處或多處發(fā)生過(guò)溫故障時(shí),THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱,電阻急劇上升,THRM引腳位準(zhǔn)變?yōu)楦呶粶?zhǔn),從而啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的過(guò)熱保護(hù)方案,實(shí)現(xiàn)過(guò)熱關(guān)斷或過(guò)熱折減驅(qū)動(dòng)。這種解決方案對(duì)于LED面光源的過(guò)熱保護(hù)可謂經(jīng)濟(jì)且有效。

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  結(jié)論

  PPTC由于其本身的諸多特點(diǎn),非常適合于LED照明系統(tǒng)的過(guò)電流和過(guò)熱保護(hù),在設(shè)計(jì)中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實(shí)現(xiàn)最佳的熱傳導(dǎo),使PPTC保護(hù)更加實(shí)時(shí)、有效;此外,PPTC產(chǎn)品的封裝形式多樣,能根據(jù)客戶要求訂制封裝,具備高度彈性。但過(guò)熱保護(hù)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)解決方案,具體設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際燈具,并進(jìn)行充分驗(yàn)證。泰科電子非常樂(lè)意與業(yè)界工程師一起根據(jù)實(shí)際

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