PPTC器件保護高亮度LED照明系統

隨著(zhù)照明技術(shù)從極為耗電的白熾燈轉為冷陰極熒光燈（CCFL），再發(fā)展到現在的發(fā)光二極管（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，這才將是他們投資的凈效益。

在滿(mǎn)足這些期望時(shí)，LED設計工程師們必須考慮到影響產(chǎn)品性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)了較陳舊的與技術(shù)不相干的各種新挑戰。

憑借改善的芯片設計和材料，LED技術(shù)已經(jīng)快速向前發(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，并能夠在一個(gè)更大的范圍內應用。盡管技術(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能夠顯著(zhù)的影響LED壽命和性能。

高亮度LED（HB LED）是節能、高性?xún)r(jià)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)照明到各種顯示設備的背光和新型消費電子（如照相手機中的閃光燈），HB LED照明的應用將持續增長(cháng)。

HB LED照明系統中的過(guò)流情況

LED光輸出隨芯片類(lèi)型、封裝、每個(gè)晶圓批次的效率和其它變量而變化。LED制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)性或者開(kāi)關(guān)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。開(kāi)關(guān)電源亦會(huì )經(jīng)常使用，因為它們更高效。

通常，電流感應電阻器為電流調節控制器提供了反饋，以監控供應給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系數（PPTC）器件來(lái)限制流過(guò)LED的電流。

圖1、典型的用于HB LED照明的電流保護設計

如圖1所示，一個(gè)PPTC器件是一個(gè)電路中的一系列要素之一。通常PPTC器件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會(huì )對正常的電路性能造成影響。然而，一旦發(fā)生一次過(guò)流的情況，該器件會(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)熱原理帶來(lái)的器件溫度迅速升高而引起。

器件會(huì )一直保持其跳閘或者閂鎖狀態(tài)直到故障被排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC器件會(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器件不能夠阻止一次故障發(fā)生時(shí)，它們會(huì )迅速做出反應，將電流限制到一個(gè)安全的等級以幫助防止對下游器件隨之而來(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。

HB LED照明的過(guò)溫保護

與傳統照明不同，由于HB LED是極其熱敏感，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結不能夠達到導通溫度。由于PPTC器件采用的是熱激活，因此器件周?chē)鷾囟鹊娜魏巫兓紩?huì )影響其性能。隨著(zhù)器件周?chē)臏囟仍黾?，更少的能量就要求器件跳閘，因此其能夠鉗住并降低電流值。

PPTC器件的工作原理

　PPTC電路保護器件采用半晶體狀聚合物與導電性顆粒復合制成。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)絡(luò )結構。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(Tsw)時(shí)，無(wú)論這種狀況是由大電流造成的還是由于環(huán)境溫度的上升造成，聚合物內的晶體物質(zhì)都將會(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，并使器件的電阻值出現巨大的非線(xiàn)性增長(cháng)，如圖2所示。

圖2、PPTC器件保護電路為響應過(guò)流或過(guò)溫情況，從低電阻狀態(tài)轉到高電阻狀態(tài)

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)的電流數量降低到一個(gè)較低的穩態(tài)水平，從而保護電路內的設備。在故障排除以及電路電源斷開(kāi)之前，PPTC器件將保持在閂鎖(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器件將重新恢復低阻值狀態(tài)。

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

圖3、PPTC器件的典型工作曲線(xiàn)

相反，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，器件會(huì )穩定在一個(gè)較高的溫度，可能再次到達如原理圖中的第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 )引起器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)境溫度增加將導致器件產(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3中第3點(diǎn)與第4點(diǎn)之間所示。這是處于PPTC器件跳閘時(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)之間的溫度變化很微小，這種關(guān)系將一直保持直到器件達到曲線(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，則器件會(huì )一直閂鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開(kāi)，電源循環(huán)啟動(dòng)后，PPTC器件將復位到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復到正常工作狀態(tài)。

圖4、PPTC器件跳閘前后的電路狀態(tài)

圖4說(shuō)明了PPTC跳閘前后保護HB LED照明系統的電路。該圖表明了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。

符合第二類(lèi)（Class 2）電源安全標準

在一個(gè)照明系統中采用第二類(lèi)電源可成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源（如變壓器、電源供應器或電池等），可能包含保護器件，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)分立在外的保護器件，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器件都能對用于LED照明應用的第二類(lèi)電源提供保護。圖5說(shuō)明了一種協(xié)同保護策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個(gè)MOV，并在輸出電路分支上采用了一個(gè)PolySwitch PPTC器件，可以幫助廠(chǎng)商滿(mǎn)足UL1310規范第35.1小節針對開(kāi)關(guān)和控制裝置的過(guò)載試驗要求。

圖5、第二類(lèi)電源的協(xié)同保護原理圖

總結

可復位PPTC器件在多樣化的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器件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復位。由于其采用熱激活，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幫助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)路布局、板型、特定元器件和具體應用的各種特殊設計考慮。