室內LED燈具的電路保護設計

作者/ William Shenberger Littelfuse公司現場(chǎng)應用工程師

摘要：燈具設計需要針對過(guò)電流保護設計安全斷開(kāi)的小尺寸保險絲，本文介紹了室內LED燈具保護電路設計的相關(guān)要求及設計人員需要考慮的問(wèn)題。

引言

　　最初設計的室內LED燈具，設計人員面臨著(zhù)各種各樣的技術(shù)挑戰。這些瓶頸包括交直流逆變電路的功率轉換、熱功耗考慮/散熱、當前燈泡尺寸的物理空間限制、瞬態(tài)電氣脈沖，這些都是除了驅動(dòng)LED發(fā)光的基本電路設計之外的技術(shù)瓶頸。這些挑戰中最重要的一個(gè)是針對LED顆粒以及其上游電路中的所有主被動(dòng)元件提供瞬態(tài)脈沖保護。這些瞬態(tài)脈沖通常是交流輸入電路中的雷擊感應浪涌。這些浪涌意味著(zhù)LED燈具需要過(guò)流及過(guò)壓保護。

1 LED燈具結構

　　對LED燈具的功能及高亮度的需求增長(cháng)意味著(zhù)驅動(dòng)電路板上的器件越來(lái)越多。大功率LED驅動(dòng)形成高亮度輸出，同時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱功耗，這意味著(zhù)需要更大的散熱片。因為L(cháng)ED燈具旨在與現有的白熾燈和CFL燈具(如通常用于家用照明的主流A19燈具)在封裝形式上兼容，都包含有一條交流/直流變換的電源驅動(dòng)電路，因此可以在標準燈具插座上使用(圖1)。由于燈具內的元件和(或者)電路故障引起的短路或過(guò)載現象，都可能導致直接連接在交流電源中的任何元器件損壞。此外，雷擊感應浪涌或開(kāi)關(guān)機脈沖(燈具外部產(chǎn)生)產(chǎn)生的尖峰電壓或振鈴波會(huì )對燈具內部的元件造成壓力并最終造成元件損壞。

　　一只LED燈具包括圖2中所示的基本電路模塊，其中從右到左依次為：

　　? 多晶片及單晶片LED顆粒采用串聯(lián)連接配置，稱(chēng)之為L(cháng)ED燈串。多個(gè)串聯(lián)LED燈串并聯(lián)并由同一個(gè)電源驅動(dòng)。

　　? 具有相應保護電路的LED燈串驅動(dòng)電路中，包括串聯(lián)在回路中的針對過(guò)流保護(OCP)的正溫度系數(PTC)電阻和并聯(lián)在回路中的用于過(guò)壓保護(OVP)的 TVS 二極管。

　　? DC-DC電源轉換電路中，包括在輸入端上針對下游元件的次級過(guò)壓保護的并聯(lián)TVS 二極管。

　　? 交流整流電路中，包括在輸出端上針對下游元件次級過(guò)流保護的串聯(lián)高壓直流保險絲。

　　? EMI 濾波元件。

　　? 交流輸入電路中，由火線(xiàn)(L)上的串聯(lián)交流保險絲和火線(xiàn)(L)—零線(xiàn)(N)間并聯(lián)的MOV組成。

2 LED燈具的電路保護

　　交流輸入電路中，交流保險絲是燈具的主要過(guò)電流保護器件。如果針對所有必要的設計參數進(jìn)行正確選擇，當由于感應瞬變和短路/過(guò)載所導致的過(guò)度電性應力(EOS)產(chǎn)生時(shí)，這種保險絲通過(guò)將所有電路與交流輸入安全地斷開(kāi)，充分保護所有下游元件免受損壞。

　　鑒于與LED燈具設計相關(guān)的空間限制，針對交流輸入選擇一個(gè)緊湊型的交流保險絲是至關(guān)重要的。保險絲的功能是在電流過(guò)載情況下可靠且可預測的熔斷來(lái)為元件和完整的電路提供保護。換句話(huà)說(shuō)，保險絲是電路中的薄弱環(huán)節。串聯(lián)在交流線(xiàn)路輸入端的交流保險絲能提供短路和過(guò)載保護。如今，交流保險絲具有廣泛的額定電流與額定電壓范圍，可應用于最小的結構中。還有一系列其他的關(guān)鍵保險絲參數和可表面貼裝的設計供使用，使設計工程師能夠選擇出滿(mǎn)足所有應用要求的保險絲。

　　具有足夠的I2T額定值的交流保險絲是通過(guò)按照IEEEC.62.41標準要求的能源之星振鈴測試所必需的器件。標稱(chēng)的熱熔值I2T(單位：安培平方秒，A2sec)規定了熔斷保險絲熔絲所需的能量大小。通常，根據標稱(chēng)熱熔值I2T選擇的保險絲適用于保險絲必須承受較短持續時(shí)間的大電流脈沖的應用。LED照明應用的浪涌抗擾度測試需要符合8×20μs的組合波形。即使其標稱(chēng)熱熔值I2T超過(guò)了波形能量的熱熔值，不同的保險絲結構對浪涌事件也不會(huì )有相同的反應方式。例如，電力浪涌脈沖產(chǎn)生熱循環(huán)，可以使保險絲產(chǎn)生機械疲勞從而縮短其壽命。

　　LED照明燈具的交流輸入端的壓敏電阻(MOV)是初級過(guò)壓保護器件。如果針對所有必要的設計參數進(jìn)行正確選擇，它將可以通過(guò)鉗制短時(shí)電壓脈沖，保護所有下游元件免受因感應瞬變和環(huán)波效應所導致的電應力(EOS)的損壞。當由于感應瞬變和短時(shí)嵌位電壓脈沖產(chǎn)生的振鈴導致的過(guò)度電性應力(EOS)發(fā)生時(shí)，MOV保護所有下游元件免受損壞。MOV提供了一種最大程度降低瞬變能量的高性?xún)r(jià)比的方案，防止其可能會(huì )進(jìn)入下游元件。正確的 MOV器件選型要以諸多電氣參數為基礎，包括額定電壓、峰值脈沖電流、能量等級、圓盤(pán)尺寸和引腳方式。

3 設計LED照明燈具需要考慮的問(wèn)題

　　LED照明燈具的設計人員需要考慮各種重要的問(wèn)題，針對交流輸入電路選擇合適的交流保險絲：

　　? 第一步是找到關(guān)于應用的一些技術(shù)問(wèn)題的答案。在過(guò)去，理解和回答這些技術(shù)問(wèn)題，然后通過(guò)元件規格書(shū)搜索針對某種應用選擇合適的保險絲，這是一項非常令人困惑和耗時(shí)的工作。這些問(wèn)題包括燈具的正常工作電流、工作電壓、環(huán)境溫度、過(guò)載電流水平和保險絲熔斷需要的時(shí)間、最大允許故障電流以及脈沖、浪涌電流、瞬間熱插拔脈沖、啟動(dòng)電流和電路瞬變等。

　　? Littelfuse 還提供一種以《保險絲選型指南》為基礎的強大的在線(xiàn)選型工具 - iDesign保險絲選型指南。它旨在幫助電路設計人員為它們的項目確定最佳的電子保險絲。iDesign工具提供了一種快速、直觀(guān)的方法來(lái)確定適合應用的最佳元件，找出元件的說(shuō)明文檔，并訂購元件樣品以進(jìn)行原型設計。它通過(guò)保險絲選型步驟，根據所提供的輸入信息快速縮小可選范圍，幫助設計人員選擇到合適的保險絲。

　　? 在初始設計時(shí)，知道燈具將要出售的市場(chǎng)是至關(guān)重要的。根據燈具是否在美國、北美的其他地方，歐洲、亞洲或其他區域使用，設計和測試必須要滿(mǎn)足不同的標準。

　　? 確定可能影響可使用的保險絲的尺寸限制。保險絲可以使用多種方法進(jìn)行封裝，但表面貼裝設計是LED照明應用中最常見(jiàn)的封裝形式。幸運的是，對于電路設計人員來(lái)說(shuō)，現在可以使用更小尺寸的保險絲來(lái)保護交流輸入，其中一些的尺寸只有以前可用的最小保險絲的一半。

　　? 電流流過(guò)保險絲產(chǎn)生的溫度隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而增加或減少。請注意，保險絲的“環(huán)境溫度”并非正如其名，等同于“室溫”。相反，環(huán)境溫度是保險絲周?chē)諝獾臏囟?，通常遠高于室溫，因為保險絲可能會(huì )被封裝在(例如在保險絲座中)或安裝在LED板的發(fā)熱部件附近。對于25攝氏度的環(huán)境溫度，通常建議保險絲的工作電流不超過(guò)額定電流的75%。保險絲本質(zhì)上是溫度敏感的器件，所以當保險絲100%滿(mǎn)載到額定值時(shí),即使很小的溫度變化也可能會(huì )極大地影響保險絲的預期壽命。

　　? 確定應用所需的分斷能力。分斷能力也可能被稱(chēng)為熔斷額定值或短路額定值(I2T值)。這是保險絲在額定電壓條件下可以安全熔斷的最大許可電流。在故障或短路狀態(tài)下，保險絲可能承受一個(gè)遠高于正常工作電流的瞬間過(guò)載電流。斷開(kāi)意味著(zhù)完好無(wú)損(無(wú)爆炸或本體破裂)并切斷電路。

　　? 確保在生產(chǎn)之前有足夠的時(shí)間進(jìn)行全面的應用測試和驗證。如果初始設計沒(méi)有通過(guò)其中任何一項測試，請確保在計劃中有足夠的余地來(lái)修改設計并重新測試。

　　? 最后，設計人員必須將保險絲與下游過(guò)壓保護器件和LED燈串驅動(dòng)電路配合好。在LED燈具設計過(guò)程之初，必須考慮到瞬態(tài)抑制。保險絲的選型必須要能滿(mǎn)足規格定義的能量沖擊，避免LED燈串驅動(dòng)電路受到不利影響。交流輸入電路上的保險絲和MOV，如果選型合適，當出現瞬態(tài)脈沖時(shí),無(wú)需保險絲斷開(kāi)就能實(shí)現過(guò)壓鉗位保護、安全地保護下游電路,同時(shí)最大程度降低了對LED燈串驅動(dòng)電路(包括LED燈串本身)的損傷。

　　? 然而，也有特定的LED照明燈具工作電路無(wú)法承受瞬態(tài)脈沖沖擊。在這些情況下，正如在前面關(guān)于DC-DC轉換器模塊的內容中所指出的，添加一個(gè)用于過(guò)壓保護的輔助次級TVS二極管是一種經(jīng)過(guò)驗證方案,可進(jìn)一步鉗制MOV的“殘壓”能量。在最極端的情況下，甚至還有一個(gè)額外的過(guò)流保護器件(如圖2的中部所示，交流整流模塊中的高壓直流保險絲)和LED燈串中的過(guò)流保護器件(與LED燈串串聯(lián)的PTC)、過(guò)壓保護(與LED燈串并聯(lián)的TVS二極管)以及LED開(kāi)路保護(與LED晶粒并聯(lián)的單個(gè)PLED)，以提供更強勁的電路保護。

　　? 保險絲與過(guò)壓保護和LED驅動(dòng)器的搭配。

　　? 瞬態(tài)電壓抑制必須是初始設計過(guò)程的一部分;所選擇的的器件必須能夠減少瞬態(tài)脈沖能量,抑制住脈沖電壓，從而使驅動(dòng)電路不受影響。

　　? TVS二極管是最常用的一種抑制器件。TVS二極管專(zhuān)門(mén)設計用于保護電子電路，防止瞬態(tài)過(guò)電壓。作為一種硅半導體雪崩器件，它既有單向也有雙向。在單向TVS，特定的鉗位特性只在一個(gè)方向上表現出來(lái)，在另一個(gè)方向上顯示出的是類(lèi)似于傳統的整流器二極管的正向導通電壓(VF)特性。LED照明電源(驅動(dòng)器)通常在其電路中一個(gè)或多個(gè)位置上需要安裝TVS二極管。

　　? 瞬態(tài)脈沖的破壞潛力是由其峰值電壓、持續電流和脈沖寬度所決定的。當用于保護諸如驅動(dòng)IC和LED晶粒等敏感元件時(shí)，瞬態(tài)抑制器的響應時(shí)間極為重要。如果瞬態(tài)抑制器響應速度慢，當系統上出現了快速上升的瞬態(tài)尖峰時(shí)，在抑制器開(kāi)始動(dòng)作前，通過(guò)被保護負載的尖峰電壓就已上升并起到破環(huán)作用

　　? 在選擇TVS二極管時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)重要的參數：

　　? 反向截止電壓(VR)。其中最重要的參數是VR，其必須等于或大于被保護電路(或電路的一部分)的峰值工作電壓。確保TVS在正常驅動(dòng)電壓下不會(huì )動(dòng)作。

　　? 峰值脈沖電流(IPP)。IPP是TVS所能承受的最大安全脈沖電流，通常以諸如10×1000μs的指數波形為參照表示。Ipp僅表示瞬態(tài)峰值電壓除以源阻抗的值。

　　? 最大鉗位電壓(VC)。VC是基于參照的指數波形,在脈沖峰值電流(IPP)流過(guò)TVS 器件時(shí)，TVS 兩端出現的峰值電壓。

　　? TVS二極管中的故障機制是短路。因此，如果TVS二極管因瞬態(tài)脈沖而出現故障，其所在的電路依然會(huì )受到保護。

4 結論

　　在LED 燈具設計初期階段就有完善的電路保護，并投入所需的時(shí)間和資源的設計人員將會(huì )收獲成功的產(chǎn)品和更好的用戶(hù)體驗。由于交流保險絲、交流MOV和TVS二極管等元件的最新進(jìn)展，到新一代設計人員誕生之前，下一代LED燈具就可能到來(lái)。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第74頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。