協(xié)調的電路保護幫助AC LED照明系統設計符合安全和性能標準

　　近年來(lái)發(fā)光二極管（led）技術(shù)在價(jià)格、性能和制造工藝等方面都給人留下了深刻的印象，可優(yōu)化LED操作的進(jìn)一步改善有望推動(dòng)LED照明市場(chǎng)的指數級增長(cháng)。其中最新的商業(yè)進(jìn)展之一是一系列高壓LED產(chǎn)品（交流LED，AC LED），它們不需要一個(gè)從交流到直流（AC-DC）的轉換器即可直接用交流電源電壓操作。在本文中描述的AC LED照明系統是：采用首爾半導體有限公司（Seoul Semiconductor）Acriche產(chǎn)品之一，它可提供高的整體系統可靠性；但是正如在任何LED照明的應用中一樣，在由瞬態(tài)事件所引起的過(guò)熱進(jìn)行保護是一項重要設計考量因素。本文討論了電路保護策略，它們將能夠預防過(guò)熱，同時(shí)還提供了在一個(gè)典型電路中的測量結果。

　　簡(jiǎn)介

　　正如運行在交流電源電壓上的任何電子系統一樣，沒(méi)有足夠保護的AC LED照明系統可能會(huì )被雷電浪涌或者振蕩波損壞。金屬氧化物壓敏電阻（MOV）常常被用做保護AC LED照明系統免受雷電浪涌和環(huán)路波的損壞，并幫助制造商滿(mǎn)足安全和性能的標準。依據IEC 61000-4-5的閃電測試和依據IEEE C.62.41的振蕩波耐受測試可在實(shí)驗室中模擬這些對生命的實(shí)際威脅。

　　一款AC LED和一款DC LED一樣，都是一種在電流通過(guò)LED芯片時(shí)可以將電能轉換為光的半導體器件，結點(diǎn)過(guò)熱將會(huì )同時(shí)大大減少光輸出和縮短LED的壽命。在引入適當的熱管理和電路保護設計策略后，AC LED技術(shù)提供幾個(gè)優(yōu)于傳統照明的優(yōu)點(diǎn)：包括緊湊的尺寸、減少的元器件數量、節能和降低系統成本。

　　TE電路保護部的PolySwitch聚合物正溫度系數(PPTC)器件可以提供過(guò)流和過(guò)溫保護，并且可以很容易地集成在A(yíng)C LED的電路板上。

　　過(guò)流和熱失控的設計要素

　　LED發(fā)光二極管具有負溫度系數的特性，LED的正向導通電壓（Vf）隨著(zhù)溫度的升高而降低。在采用恒壓電源供電的情況下，溫度的增加將帶來(lái)正向導通電壓的略微降低和增加數額相對較大的電流。它導致了功耗的凈增加和溫度的升高。對于一個(gè)給定的熱路徑，熱傳遞可能不能夠維持增加的功耗。

　　在極端情況下，其結果就是熱失控，并且可能在電流或者功率沒(méi)有被限制在額定等級內時(shí)損壞AC LED。在特定的額定電流范圍內，LED燈的光輸出和通過(guò)的電流呈大致的線(xiàn)性關(guān)系。如果電流超過(guò)制造商所建議的電流值，LED燈可以變得更亮，但是光輸出的能力會(huì )以更快的速度降低，并縮短其使用壽命。

　　應該盡一切努力去保持LED散熱以實(shí)現最大效率，LED通常聯(lián)接一個(gè)散熱片以盡量使結點(diǎn)溫度最低。限制通過(guò)AC LED的電流或者功率可以預防熱失控，并且有一個(gè)額外的好處就是可以在寬廣的溫度范圍內提供更好的亮度調節以及延長(cháng)使用壽命。

　　AN3211是首爾半導體公司的一款AC LED產(chǎn)品，它包括一個(gè)AN3200 LED 和一組用于依據其正向電壓來(lái)設置其工作電流的電阻。AN3200的內部結構由兩組極性相反的二極管并聯(lián)組成。如圖1所示，隨著(zhù)正半周期內交流電源電壓的增加，內部LED串中的一串導通并發(fā)光；在負半周期內，其他的燈串導通并發(fā)光。

　　圖1、典型的AC LED原理圖

　　圖2為首爾半導體公司的AC LED AN3211的測試裝置，其中一個(gè)金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和一個(gè)PolySwitch miniSMDC014F器件集成在A(yíng)C LED照明系統板上，表1顯示了測試參數和結果。

　　表1、首爾半導體公司的AC LED AN3211和PolySwitch miniSMDC014F器件共同使用時(shí)的測試結果

　　過(guò)壓保護設計要素

　　AC LED已經(jīng)越來(lái)越多地用于室內外的通用照明（GPI）系統應用。因為交流電為其直接供電，閃電可能會(huì )引起交流線(xiàn)路的瞬間過(guò)壓。沒(méi)有強大的、可靠的電路保護，雷電浪涌或者振蕩波可能會(huì )損壞AC LED。由于電壓的變化可以產(chǎn)生不成比例的電流變化并影響光輸出，在這些交流線(xiàn)路電壓的波動(dòng)中AC LED必須受到保護。

　　PolySwitch器件有助于在出現穩態(tài)過(guò)載電流的操作時(shí)限制流過(guò)LED的電流，并在電壓出現波動(dòng)實(shí)現保護。MOV常常在交流線(xiàn)路電壓應用中用于抑制瞬態(tài)過(guò)壓和預防瞬態(tài)過(guò)壓帶來(lái)的損壞。

　　圖3和4顯示了首爾半導體公司AC LED AN3211器件和7mm 200V MOV共同使用時(shí)的測試結果。結果表明：MOV解決了雷電和振蕩波問(wèn)題；同時(shí)，在雷電浪涌和振蕩波耐受測試中光輸出是非常穩定的。這種方法有助于設備在特定的雷電浪涌測試（IEC 61000-4-5）和振蕩波沖擊測試后（IEEEC.62.41）能夠保持正常運作。

　　結論

　　盡管AC LED照明系統提供卓越的可靠性和設計優(yōu)點(diǎn)，但它們仍然需要強大的過(guò)流、過(guò)溫和過(guò)壓的保護以滿(mǎn)足各種安全和性能的標準。采用PolySwitch的過(guò)流/過(guò)溫保護器件與一個(gè)MOV器件配對可以降低設計風(fēng)險，并提供了一個(gè)完全可復位和協(xié)調的電路保護解決方案。首爾半導體開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品包含了TE電路保護部提供的過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護的AC 2PRO?器件。這種混合器件在一個(gè)熱保護器件中結合了一個(gè)PPTC元件與一個(gè)MOV，并為設計師提供了單個(gè)器件集成化保護所帶來(lái)的設計靈活性和方便性。以后的文章將介紹AC 2Pro器件是如何與各種最新的AC LED一起工作的。

　　關(guān)于作者

　　Barry Brents是TE電路保護部的現場(chǎng)應用工程師。他是IEEE會(huì )員，在美國德州理工大學(xué)（Texas Tech University）獲得電機工程學(xué)士學(xué)位， 自1991年以來(lái)一直就職于通信和電力行業(yè)。

　　David Neal是首爾半導體有限公司應用經(jīng)理。他是IEEE、IES和ANSI的會(huì )員，在馬薩諸塞州大學(xué)達特茅斯分校（University of Massachusetts Dartmouth）獲得電機工程學(xué)士學(xué)位，并活躍在固態(tài)照明行業(yè)中超過(guò)五年。

　　Matt Williams是TE電路保護部全球應用工程經(jīng)理，負責內部和OEM客戶(hù)的應用支持。他是IEEE會(huì )員，在鳳凰理工學(xué)院（Phoenix Institute of Technology）獲得電氣工程和電子通訊兩個(gè)理學(xué)學(xué)位。

　　2 Pro、PolySwitch、 TE Connectivity和 TE connectivity (標識)都是商標。