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LED照明系統(tǒng)的過壓過流防護

文章來源：更新時間：2014/10/9 13:41:00

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隨著LED照明燈具的逐步發(fā)展，在亮化工程輔助照明等公共場合，LED照明燈具漸漸替代了一些傳統(tǒng)光源產(chǎn)品。在使用時間較長的商業(yè)應(yīng)用場所，LED燈具迅速成為市場的新寵，LED行業(yè)在近些年得到了較快發(fā)展。全球LED各應(yīng)用領(lǐng)域中，通用照明和汽車照明領(lǐng)域為增速最快的市場，成為推動未來LED市場規(guī)�？焖僭鲩L重要驅(qū)動因素。
1.智能照明:隨著LED照明產(chǎn)品價格持續(xù)下降，LED照明市場迅速增長。技術(shù)的進步，也使得LED照明技術(shù)從最初的簡單照明向智能照明發(fā)展。智能照明不僅可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制，同時也成為互聯(lián)網(wǎng)的一個入口，從而衍生更多高附加值的服務(wù)，例如健康管理、地圖定位、商品導(dǎo)購與廣告等。從傳統(tǒng)照明進入智能照明，市場需求無疑是推動這一舉動的強大動力。不可否認(rèn)，智能照明發(fā)展是大勢所趨。
2.汽車照明：我國汽車產(chǎn)銷量超過2000萬輛，已連續(xù)五年蟬聯(lián)全球第一，龐大的汽車市場帶動著相關(guān)汽車配件行業(yè)蓬勃發(fā)展，其中LED汽車照明市場的增長更為快速，增長幅度遠超汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的平均增速。截至2015年底，汽車照明需要完成二氧化碳的減排目標(biāo)。作為公認(rèn)的低碳環(huán)保照明的典型代表，LED有望納入汽車照明升級改造的范圍，由此意味著百億、甚至于千億級的市場需求。
但由于LED使用環(huán)境的復(fù)雜性，人們在實際使用中LED往往容易壞，其實就是因為沒有考慮到LED的使用特性以及應(yīng)有的保護。尤其是當(dāng)LED是用在戶外時，其驅(qū)動電路及燈珠非常容易遭受到過電壓和過電流的沖擊而造成故障或損壞，引發(fā)不必要的財產(chǎn)損失甚至是人員傷亡，因此在設(shè)計LED照明電路時必須要充分考慮并做好保護措施，從而提高電路的可靠性，降低故障發(fā)生率。瞬雷電子一直致力于這方面的研發(fā)，從產(chǎn)品研發(fā)到系統(tǒng)設(shè)計，無不傾心盡力。下面就LED 照明系統(tǒng)過壓過流干擾的故障現(xiàn)象、產(chǎn)生原因、解決辦法予以簡單論述。

一．LED的過壓過流故障現(xiàn)象
當(dāng)出現(xiàn)過壓過流干擾時，元件性能會減弱或損壞。LED 元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關(guān)，因為任何一次過壓過流干擾都可能導(dǎo)致LED 損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效，
也可能在發(fā)生過壓過流干擾后許久才失效。LED 芯片的小型化和LED燈具內(nèi)部電器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化正在使這一問題變得更加嚴(yán)重。燈具內(nèi)LED 芯片的過壓過流故障主要有以下兩種現(xiàn)象:
a芯片內(nèi)部焊接線損壞
過壓過流干擾導(dǎo)致的第一種失效模式是LED 封裝內(nèi)部的焊接線受損。這種損壞通常表現(xiàn)為接線燒斷。此外，過壓過流干擾還能導(dǎo)致靠近焊接線的其他材料（例如密封材料或熒光體）損壞。
b 芯片焊盤位置損壞
過壓過流干擾導(dǎo)致的另一種失效模式是LED 芯片本體靠近焊盤的位置受損。

二．LED 發(fā)生過壓過流干擾的主要原因
LED 芯片發(fā)生過壓過流干擾的原因有多種，如浪涌、靜電，來自其他設(shè)備的脈沖信號干擾、燈具組裝時不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣椒�、接地點不夠?qū)е码娏骺焖俎D(zhuǎn)換引起高電壓等情況都會引起過壓過流干擾。但以下兩種情況是LED 燈具生產(chǎn)與使用過程中造成過壓過流干擾的主要原因。
a 靜電放電ESD
靜電放電是大多數(shù)電子元件在生產(chǎn)、運輸、加工過程中不可避免的風(fēng)險。雖然目前大多數(shù)的LED 芯片
自身已經(jīng)具有防靜電干擾的設(shè)計􀈷一般為2kV，但靜電放電依舊是LED 芯片在燈具生產(chǎn)環(huán)節(jié)損壞的主要原因。
b 短時間的過負(fù)荷
短時間的過負(fù)荷即短時間內(nèi)LED 的輸入電壓或電流超過其額定值􀈷如浪涌電壓或雷擊􀈸。過負(fù)荷一般只持續(xù)極短的時間􀈴通常不會超過500ms􀈴類似的電壓或電流稱為尖峰電壓或尖峰電流。短時間的過負(fù)荷是LED 芯片在燈具正常使用過程中損壞的主要原因。

三．LED過壓過流干擾的防護方法：
1 防止靜電放電損壞LED 的方法
靜電放電是LED 芯片的隱形殺手。LED 燈具生產(chǎn)過程中每個階段的每個步驟都可能使LED 受到靜電的損傷。靜電防護就是消除靜電或把靜電電壓控制在允許的范圍內(nèi)􀈴使它不致產(chǎn)生危害。生產(chǎn)過程中靜電防護的主要措施為：
􀈷 a 保證車間生產(chǎn)人員及生產(chǎn)設(shè)備的靜電防護。（屏蔽與接地）
􀈷 b􀈸盡可能的使生產(chǎn)車間和周圍環(huán)境達到防靜電要求。（中和、增濕、屏蔽與接地）
􀈷 c􀈸采用靜電保護器（ESD）對各接口芯線對地做靜電防護。（靜電泄露、耗散）
依照上述防靜電措施進行操作，將靜電防護工作當(dāng)作一項長期的系統(tǒng)工程，防止任何環(huán)節(jié)的失誤或疏漏􀈴，加上LED 芯片有一定的防靜電干擾功能􀈴，則在生產(chǎn)過程中可以有效地防止靜電放電對LED 的損傷。

2 防止LED 芯片短時間過負(fù)荷的方法
防護瞬間過電壓或過電流等LED 短時間過負(fù)荷現(xiàn)象常用的器件有瞬態(tài)抑制二極管TVS，熱敏電阻MOV,浪涌靜電硅抑制器SET等。目前LED 燈具防過負(fù)荷設(shè)計方案分為兩種：第一種為保險絲、壓敏電阻MOV、瞬態(tài)抑制二極管TVS組合形成的電源輸入端保護電路，一般用在LED 燈具電控系統(tǒng)的輸入端􀈴防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾原因造成的LED 故障。第二種為瞬態(tài)抑制二極管TVS、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）過負(fù)荷保護電路，一般串聯(lián)在LED 芯片組成的照明電路中，防止LED 燈具通電開啟瞬間造成的LED損傷。以下對這兩種方法分別予以討論。

2.1 防止電源瞬間浪涌干擾造成LED 損傷的的保護方案

圖 1
方案中主要用到壓敏電阻MOV及瞬態(tài)抑制二極管TVS做過壓防護，壓敏電阻是一種具有電壓電流對稱特性的電壓屬性電阻器，它主要用來保護電子元件免受尖峰電壓或尖峰電流的影響。壓敏電阻在常態(tài)時對受保護的電子元件具有很高的阻抗，而且不會改變電路特性，但當(dāng)瞬間尖峰電壓出現(xiàn)越過壓敏電阻的擊穿電壓時，該壓敏電阻的阻抗會變低（僅有幾歐姆），并造成原線路短路，從而對電子產(chǎn)品或元件進行保護。將壓敏電阻接入LED 燈具電源輸入端，可防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾造成的LED 故障，防護方案如圖1所示。正常運行時一旦電網(wǎng)電壓升高，壓敏電阻會瞬間擊穿短路，對過壓能量進行吸收和泄放，從而有效的防止過電壓進入受保護線路。方案中用到2個保險絲Fuse 1和Fuse 2，其中Fuse 1在壓敏電阻的前端，用來防止壓敏電阻失效而短路，但也要通過雷擊大電流。因此，通常選用慢融性保險絲，其不承擔(dān)過載短路的作用；而Fuse 2是用來防止過載，選用快熔性保險絲，不承擔(dān)浪涌電流，可以根據(jù)負(fù)載額定電流選擇合適的保險絲。后端為瞬態(tài)抑制二極管TVS是對前級壓敏電阻的殘余能量進行進一步的吸收和泄放。更好的保護后端負(fù)載。
2.2 防止通電瞬間損傷LED 的保護方案

圖 2

在LED 燈具剛剛通電時􀈴會產(chǎn)生一種常見的瞬間過電流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為浪涌電流�？梢圆捎迷跓艟邇�(nèi)部電路使用NTC 電阻器的方法實現(xiàn)LED 燈具的浪涌電流保護（如圖2）。具體而言，就是在燈具剛剛通電時􀈴NTC 器件提供一個高電阻值來保護LED 免受浪涌電流的損壞，在過渡時間之后􀈴NTC 電阻器的電阻會降低到可忽略不計的數(shù)值。方案中的瞬態(tài)抑制二極管TVS對瞬間的浪涌能量提供一條通路，保護后端LED燈珠不受影響。

2.3防止LED 燈珠開路（電源極性反接保護）的保護方案

圖 3
當(dāng)LED輸入端有高壓脈沖時會導(dǎo)致后端芯片及LED燈損壞，而瞬態(tài)抑制二極管TVS可以對高壓脈沖進行吸收和箝端電路可承受的范圍內(nèi)，從而消除了由輸入端帶來的干擾。O.C.P為半導(dǎo)體過壓型保護器件，當(dāng)燈珠兩端有靜電和過電壓時可瞬間吸收和箝位，把電壓降低，并且當(dāng)LED開路損壞時，電流無法流過損壞的LED燈珠，此時電源的電壓全部加在O.C.P上，很快O.C.P兩端的電壓就達到了它的開關(guān)電壓，O.C.P開始工作，隨后將電壓降低到1V左右，電流從O.C.P流過也經(jīng)過了其它的LED燈珠，其它的燈珠又亮了起來。當(dāng)LED燈串被反向通上電源時，所有保護器O.C.P都會開始導(dǎo)通，將這些被保護的LED上的電流分流以保護它們不受傷害。在反向電極糾正之后，保護器會關(guān)閉，LED正常工作。
隨著社會的發(fā)展和大家對節(jié)能環(huán)保的意識不斷提高，LED燈具的市場前景將是一片光輝，不斷進步的LED照明市場需要性能良好的硬件設(shè)備（燈具），正確的硬件設(shè)計是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。前期在硬件設(shè)備設(shè)計時充分考慮各種干擾因素的影響會使燈具質(zhì)量得到很大的保證，對硬件設(shè)備進行適當(dāng)?shù)倪^壓過流沖擊防護設(shè)計能夠大幅度地提高它的的使用壽命，減小維修成本，更好的滿足人們的需求。