檢測和處理LED照明的故障

 　　無(wú)論工程師如何努力去避免，部件失效總會(huì )出現的，而LED燈具也不例外。對于LED照明解決方案的預期成本和可靠性來(lái)說(shuō)，避免短路或開(kāi)路帶來(lái)的系統停機是至關(guān)重要的。由于LED燈具通常采用多個(gè)LED組成的燈串，所以一個(gè)開(kāi)路LED會(huì )引起整串LED變黑。

　　要搬動(dòng)設備和進(jìn)行交通改道以修復交通燈的成本非常昂貴。分散在一個(gè)建筑物或地區中的照明系統若出現故障可能不會(huì )被重視, 但卻會(huì )造成安全和保安風(fēng)險。因此，使用監控照明系統以增加正常運行時(shí)間或減少停機時(shí)間，是獲得積極的客戶(hù)評價(jià)和快速采用LED照明解決方案的關(guān)鍵。

　　檢測和監控

　　處理故障首先需要進(jìn)行檢測，這是維持照明系統功能性的最基本步驟。對于LED，電壓是檢測單個(gè)LED狀態(tài)的最容易測量的參數。用于故障感測，通狀態(tài)的LED電壓可提供給檢測開(kāi)路或短路LED時(shí)使用。

　　如上所述，單一LED的開(kāi)路故障不僅是單一器件的照明損失，還會(huì )擴大為基于典型照明配置的整串LED的損失。相反，如果在短路情況下，其它LED則可以繼續運作，減少了被檢測出故障的可能性，但是會(huì )讓查看故障的人留下系統不可靠的印象。

　　主動(dòng)監控和檢測提供了系統管理功能，因其快速檢測故障并維修能夠最大限度地減少對功能性和停機時(shí)間的影響。要有效地檢測故障，必須檢查照明燈具中的每個(gè)LED，而這需要一個(gè)與多個(gè)LED連接，同時(shí)將LED故障位置的狀態(tài)或故障檢測信息傳遞到電路和系統的解決方案。

　　對于在各種應用中不同長(cháng)度的LED串，必須使用靈活的多通道IC解決方案。這款解決方案必須能夠在任意LED串電壓范圍(這取決于LED串中的LED數目)和寬范圍的LED工作電流下工作，無(wú)論故障是發(fā)生在LED串內的什么位置，它都必須能夠傳達并且具有一個(gè)結合來(lái)自多個(gè)LED串的故障信號的機制。

　　最直接的方法就是使用局部供電電路來(lái)進(jìn)行檢測，然后使用一個(gè)級聯(lián)電流信號作為故障指示。在LED串中， IC解決方案可以設計讓位于LED串頂部的芯片，從主LED供電總線(xiàn)中獲取故障電流，并且向LED串中位于它下部的芯片發(fā)送開(kāi)/關(guān)故障電流指示。在LED串的底部，故障/無(wú)故障電流被放到一個(gè)電路中，用來(lái)提供應用所需的最終指示。一個(gè)級聯(lián)多通道示例如圖1所示，使用AAL406 LED故障檢測和旁路保護IC。

　　圖1 最直接的方法是使用局部供電電路進(jìn)行檢測，然后使用一個(gè)級聯(lián)電流信號作為故障指示。

　　一個(gè)壞的LED損壞整個(gè)LED串

　　在燈具中，一個(gè)開(kāi)路LED會(huì )引起整串LED失效，這是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。一個(gè)維持LED串功能性的方法就是提供一個(gè)圍繞開(kāi)路LED的旁路路徑，允許LED串的剩余部分繼續工作。最簡(jiǎn)單的LED旁路方法是使用一個(gè)跨接LED的雙引腳SCR連線(xiàn)，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，電壓過(guò)低不能直接使用，所以需要增添一個(gè)齊納二極管來(lái)提高觸發(fā)電壓(參見(jiàn)圖2)。

　　如果LED開(kāi)路，其兩端的電壓會(huì )上升，直到達到SCR柵極電壓并動(dòng)作，然后提供一個(gè)圍繞開(kāi)路LED的鎖定通道(LED使用DC電壓和電流驅動(dòng)，因而它們無(wú)需增添使用TRIAC進(jìn)行旁路的復雜性)。SCR將保持工作，直到電流下降到SCR特定保持電流之下。這種方法適用于DC LED串電流，這是LED的通常狀態(tài)。在LED串使用PWM開(kāi)/關(guān)調光時(shí)，SCR在每個(gè)PWM循環(huán)重置并重新動(dòng)作，因而不會(huì )影響功能性，同時(shí)降低了功率損耗。

　　圖2：最簡(jiǎn)單的LED旁路方法是使用一個(gè)圍繞LED的雙引腳SCR連線(xiàn)，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，太低而無(wú)法直接使用，所以需要增添一個(gè)齊納二極管來(lái)提高觸發(fā)電壓。

　　上述方法對于應用具有某些限制和要求，以確保其正常的運作。LED串必須使用類(lèi)似電流源來(lái)供電，如果發(fā)生開(kāi)路，LED電壓將會(huì )上升。此外，電壓上升必須高于旁路功能的觸發(fā)電壓。而且，LED串的電流路徑應當對瞬態(tài)電流有某些限制，原因在于SCR的快速動(dòng)作而LED則具有相對較低的負載阻抗特性。示例之一就是如果SCR工作于一個(gè)電容較大的總線(xiàn)，其電流路徑的阻抗較低時(shí)檢測就會(huì )失效。在一個(gè)IC中實(shí)施這類(lèi)旁路和監控解決方案，能夠以套件形式實(shí)現多個(gè)SCR的故障管理。當中所感測的LED電壓用于開(kāi)路LED旁路SCR的動(dòng)作，也用于提供短路或開(kāi)路的故障感測。

　　圖3所示是如前所述基于IC的級聯(lián)電流故障檢測/維修方案的示意圖，請留意這個(gè)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是不能與PWM調光無(wú)縫集成。當LED串電流因PWM信號的緣故而為關(guān)閉/零時(shí)，由于跨接/通過(guò)LED的電壓/電流變化很大，檢測/報告將處于不確定的狀態(tài)。設計人員可以使用一個(gè)在級聯(lián)底部的附加電路，使用PWM信號來(lái)鎖定故障報告，同時(shí)LED保持工作/開(kāi)啟，并且在PWM信號強迫LED串電流下降為零時(shí)，忽略/保持故障狀態(tài)。

　　圖3 基于IC的級聯(lián)電流故障檢測/報告機制

　　散熱問(wèn)題

　　與任何電路一樣，設計人員需要考慮封裝和散熱問(wèn)題，請留意片上SCR具有大約1V的導通狀態(tài)電壓(與電流正相關(guān)，與溫度負相關(guān))，這意味著(zhù)在0.3A電流下?lián)p耗為0.3 W。

　　將熱量散發(fā)到周?chē)諝庵袑τ诳煽啃允侵陵P(guān)重要的，典型的塑料IC封裝對于上述功率級別是不足夠的，這個(gè)應用中的IC封裝需要采取熱管理措施，但無(wú)需其它特別的措施。舉一個(gè)特定示例，AAL406器件在表面安裝SOIC 8引腳封裝中具有三個(gè)SCR和內置故障感測，由于底部的金屬片，它與內部芯片是熱耦合的，因此這個(gè)封裝具有出色的熱性能。通過(guò)在芯片底部PCB上敷設銅皮，并且將金屬片焊接在銅皮的頂部，能夠大大提升熱傳遞性能。

　　要改進(jìn)熱傳遞應當使用標準鍍金通孔來(lái)連接頂部銅皮和IC下方的底部銅皮。在最差情形下，多個(gè)SCR具有較高電流負載的情況，熱要求可能更加嚴格。在這些情況下，將它們安裝在一個(gè)共同散熱片上，比如絕緣金屬基底(IMS)上，是一個(gè)可靠的解決方案。而所需的散熱水平取決于以下的預期，包括處理故障對比維修、在正常工作下處理工作電流對比故障的發(fā)生，工作溫度范圍、成本考慮因素和其它此類(lèi)系統設計和運作問(wèn)題。