LED燈具失效分析及電路保護措施

　　LED燈具損壞的原因

　　LED燈具失效一是來(lái)源于電源和驅動(dòng)的失效，二是來(lái)源于LED器件本身的失效。通常LED電源和驅動(dòng)的損壞來(lái)自于輸入電源的過(guò)電沖擊(EOS)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過(guò)電沖擊往往會(huì )造成驅動(dòng)電路中驅動(dòng)芯片的損壞，以及電容等被動(dòng)元件發(fā)生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動(dòng)電路的過(guò)電流驅動(dòng)，驅動(dòng)電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導致的過(guò)熱損壞。LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。

　　1.瞬態(tài)過(guò)流事件

　　瞬態(tài)過(guò)流事件是指流過(guò)LED的電流超過(guò)該LED技術(shù)數據手冊中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產(chǎn)生也可能是由高電壓間接產(chǎn)生，如瞬態(tài)雷擊、開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)開(kāi)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，持續時(shí)間極短，通常我們將其稱(chēng)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。

　　對于汽車(chē)中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負載浪涌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 )導致焊接線(xiàn)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。除了導致焊接線(xiàn)燒斷外，還可能導致靠近焊接線(xiàn)的其他部分損壞，例如密封材料。

　　圖1：LED焊接線(xiàn)燒斷損壞。

　　2.靜電放電事件

　　靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導體器件制造、運輸和應用中最為常見(jiàn)的一種瞬態(tài)過(guò)壓危害，而LED照明系統則須滿(mǎn)足IEC61000-4-2標準的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電，以防止系統在靜電放電時(shí)有可能導致的過(guò)電沖擊失效。

　　LED PN結陣列性能將出現降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導致的LED芯片的內部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴重的話(huà)也會(huì )導致LED永久損壞。

　　圖2：LED部分PN結損壞。

　　對于接近80%能量都轉化為熱量的LED照明設計而言，熱管理和故障過(guò)熱保護是其面臨的一個(gè)挑戰。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明，LED的性能和壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關(guān)。當LED芯片內結溫升高10℃，光通量就會(huì )衰減1%，LED的壽命就會(huì )減少50%。

　　電源及驅動(dòng)電路的保護

　　由于LED電源和驅動(dòng)電路容易遭受過(guò)電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅動(dòng)電路設計中要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護措施，以提高電路的可靠性，從而降低返修率。泰科電子的LVR系列PTC可以實(shí)現交流電源的過(guò)流和短路保護，ROV用于過(guò)電沖擊和浪涌保護。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過(guò)壓過(guò)流綜合保護元件，LED燈串中的表面貼系列則是實(shí)現負載過(guò)流或斷路故障保護(圖3)。

　　圖3：LED燈具電源及驅動(dòng)電路的保護設計。