高亮度LED照明系統可靠性設計參考

隨著(zhù)照明技術(shù)從極為耗電的白熾燈轉到冷陰極燈管(CCFL)，再發(fā)展到現在的發(fā)光二極體(LED)燈，可以很清楚地看到在最終用戶(hù)愿意為更綠色的照明支付更高的成本的同時(shí)，他們也有一個(gè)內在的期望，即壽命更長(cháng)和更高的可靠性才將是他們投資的凈效益。

在滿(mǎn)足這些期望的同時(shí)，LED設計工程師們必須考慮到影響他們產(chǎn)品效能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度、再到過(guò)壓和過(guò)溫保護，LED技術(shù)的獨特性帶來(lái)了較陳舊的技術(shù)不相干的各種新挑戰。

憑藉改善的晶片設計和材料，LED技術(shù)已經(jīng)快速發(fā)展，促使其向更亮、更高效節能、壽命更持久的光源快速發(fā)展，并能夠應用在更廣泛的範圍。儘管技術(shù)日益普及，但仍然有一個(gè)事實(shí)，即過(guò)多的熱量和不恰當的應用會(huì )顯著(zhù)影響LED壽命和效能。

高亮度LED(HB LED)是節能的、高價(jià)效比的設備，能夠確保下一代的照明解決方案。從建筑照明到汽車(chē)照明到各種顯示裝置的背光、和新型消費性電子(如照相手機中的閃光燈)，HB LED照明的應用持續成長(cháng)。

HB LED照明系統中的過(guò)流情況

LED光輸出隨晶片類(lèi)型、封裝、每個(gè)晶圓批次的效率和其他變數而變化。LED製造商使用如高亮度這樣的術(shù)語(yǔ)來(lái)形容LED的密度。HB LED驅動(dòng)器可由線(xiàn)性或者交換式電源供電。當電源電壓略微大于負載電壓時(shí)，線(xiàn)性驅動(dòng)器是最合適的，電阻會(huì )用于限制其電流。交換式電源亦會(huì )經(jīng)常使用，因為它們更高效。

通常，電流感應電阻為電流調節控制器提供了回饋，以監控供應予HB LED的電流。另一個(gè)可選的解決方案就是使用聚合物正溫度係數(PPTC)元件來(lái)限制流過(guò)LED的電流。

如圖1所示，一個(gè)PPTC元件是一個(gè)電路中的一系列要素之一。通常PPTC元件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會(huì )對正常的電路效能造成影響。然而，一旦過(guò)流的情況發(fā)生，該元件會(huì )增加電阻(跳閘)，并且將電路中的電流降低到一個(gè)任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發(fā)熱塬理帶來(lái)的元件溫度迅速升高的引起。

圖1：用于HB LED照明的電流保護設計。

元件會(huì )一直保持其跳閘或者閉鎖狀態(tài)直到故障排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC元件會(huì )復位并允許電流重新開(kāi)始流動(dòng)，使電路恢復正常工作。當PPTC元件不能夠阻止故障的發(fā)生時(shí)，它們會(huì )迅速作出反應，將電流限制到安全的等級以防止對下游元件隨之而來(lái)的損壞。此外，它們的小型化外形使得它們易于在空間受限的應用中使用。

與傳統照明不同，由于HB LED極具熱敏感，其熱管理是一個(gè)重要的設計考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命， PN接面不能允許導通溫度的提高。由于PPTC元件採用的是熱啟動(dòng)，因此元件周?chē)鷾囟鹊娜魏巫兓紩?huì )影響其效能。隨著(zhù)元件周?chē)臏囟仍黾?，更少的能量就要求元件跳閘，因此其能夠使鉗住電流值并使其降低。

PPTC元件的工作塬理

PPTC電路保護元件採用半晶體狀聚合物與導電性顆粒復合製成。在正常溫度下，這些導電性顆粒在聚合物內構成了低電阻的網(wǎng)路結構。但是，如果溫度上升到元件的切換溫度(Tsw)時(shí)，無(wú)論這種狀況是大電流造成的，還是由于環(huán)境溫度的上升造成的，聚合物內的晶體物質(zhì)將會(huì )融化并成為無(wú)定形物質(zhì)。在晶體相融化階段出現的體積增大會(huì )導致導電性顆粒在液力作用下分隔，并使元件的電阻值出現巨大的非線(xiàn)性成長(cháng)。

典型情況下，電阻值將增加3個(gè)或者更多的數量級。電阻值增加后能夠將故障條件下流經(jīng)的電流數量降低到較低的穩態(tài)水準，從而保護電路內的設備。在故障排除以及電路電源斷開(kāi)以前，PPTC元件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài);而在導電性復合材料冷卻下來(lái)并重新結晶后，PPTC元件將重新恢復低阻值狀態(tài)。

在正常工作情況下，PPTC元件產(chǎn)生的或者散失的熱量處于一個(gè)相對低溫的平衡狀態(tài)，如圖2中的1點(diǎn)所示。當環(huán)境溫度不變而流過(guò)元件的電流增加時(shí)，元件所產(chǎn)生的熱量也會(huì )隨之增加。如果增加的電流是微不足道的其所產(chǎn)生的熱量能夠散失到環(huán)境中，元件會(huì )穩定在一個(gè)較高的溫度，如圖3中的2點(diǎn)所示。

圖2：PPTC元件保護電路為回應過(guò)流或者過(guò)溫情況，從低電阻狀態(tài)轉到高電阻狀態(tài)。

圖3：PPTC元件的典型工作曲線(xiàn)。

相反的，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，元件會(huì )穩定在一個(gè)較高的溫度，可能再次到達如塬理圖中的第2點(diǎn)。第2點(diǎn)也可能為電流和溫度增加共同作用下的結果。隨著(zhù)電流、溫度或者兩者結合的進(jìn)一步增加，將會(huì )引起元件升溫并達到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3點(diǎn)所示，這就是所謂的曲線(xiàn)低端拐點(diǎn)。任何進(jìn)一步的電流或者環(huán)境溫度增加將導致元件產(chǎn)生熱量的速度比其向環(huán)境中散失熱量的速度更快，使其溫度迅速的升高。

在這個(gè)階段中，隨著(zhù)非常小的溫度變化將產(chǎn)生一個(gè)非常大的電阻值升高，如圖中第3點(diǎn)與第4點(diǎn)之間所示。這是處于PPTC元件跳閘時(shí)的一個(gè)正常的工作區域。電阻增大導致電路中流經(jīng)的電流相應的減少。

因為第3點(diǎn)和第4點(diǎn)之間的溫度變化之間是很微小，這種關(guān)係將一直保持直到元件達到曲線(xiàn)上第4點(diǎn)的上拐點(diǎn)。只要外部施加的電源電壓保持在這個(gè)電平，則元件會(huì )一直閉鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開(kāi)、電源迴圈啟動(dòng)后，PPTC元件將重定到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復到正常工作狀態(tài)。

圖4說(shuō)明了PPTC跳閘前后保護HB LED照明系統的電路。此圖表明瞭在跳閘后電流是如何被降低，從而保護電路免受過(guò)流、過(guò)溫情況所造成的損壞。

圖4：PPTC元件跳閘前后的電路狀態(tài)

符合第二類(lèi)(Class 2)電源安全標準

在一個(gè)照明系統中採用第二類(lèi)電源可成為降低成本、提高彈性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源，如變壓器、電源供應器或電池等，可能包含保護元件，只要它們不依賴(lài)于第二類(lèi)電源的輸出限制即可。

非自有限制型電源，按照其定義，具有一個(gè)分立在外的保護元件，當電流和能量輸出達到預定值時(shí)它會(huì )自動(dòng)中斷輸出。

各種各樣的電路保護元件都能對用于LED照明應用的第二類(lèi)電源源提供保護。圖5說(shuō)明了一種協(xié)同保護策略的工作塬理，它在交流輸入上採用了一個(gè)MOV，并在輸出電路分支上採用了一個(gè)PolySwitch PPTC元件，可以?明廠(chǎng)商滿(mǎn)足UL1310規範第35.1小節針對開(kāi)關(guān)和控制裝置的超載試驗要求。

圖5、第二類(lèi)電源的協(xié)同保護塬理圖

本文小結

自復式PPTC元件在多樣化的HB LED照明系統應用中已經(jīng)展現出了有效性。與傳統的保險絲一樣，它們在超出額定值后可限制電流。然而又不同于傳統保險絲，PPTC元件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復位。由于其採用熱啟動(dòng)，因此可以防止電路在過(guò)溫條件下所造成的損壞。這種獨特的功能可以?明設計師提高照明系統的可靠性和平均壽命，以及減少元件數量和降低設計復雜度。

與任何電路保護策略一樣，一個(gè)解決方案的有效性將取決于每個(gè)不同線(xiàn)路佈局、板型、特定元元件和具體應用的各種特殊設計考慮。TE電路保護部與OEM廠(chǎng)商一起選擇和實(shí)施最佳方法。