分享：LED燈具損壞的常見(jiàn)原因及解決方案

　　將高功率白光LED作為新型綠色照明時(shí)，將擁有諸如光轉換效率高、功耗低，壽命長(cháng)，無(wú)需維護等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸被應用于各種照明領(lǐng)域。LED的長(cháng)使用壽命是基于其安全的工作環(huán)境。對于LED照明來(lái)講，主要有兩種威脅影響其壽命；一種是過(guò)電沖擊，此處的過(guò)電沖擊就是LED上施加的電流超過(guò)該LED技術(shù)數據手冊中的最大額定電流，包括過(guò)壓引起的過(guò)電流沖擊；另一種則是過(guò)熱損傷。這些損壞可以表現為組件的立即失效，也可能發(fā)生在過(guò)電沖擊事件后許久才失效，縮短LED工作壽命。

　　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組件本身的失效。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)芯片的損壞以及如電容等被動(dòng)組件發(fā)生擊穿損壞；而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)電路可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導致的過(guò)熱損壞。
　
　　LED組件本身失效的情況

　　瞬態(tài)過(guò)電流事件

　　瞬態(tài)過(guò)電流事件，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的直接產(chǎn)生，也可能是因高電壓間接產(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。

　　對于在汽車(chē)中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負載突波沖擊，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。

　　靜電放電事件

　　ESD損壞是目前高整合半導體組件制造，運輸和應用中最為常見(jiàn)的一種瞬態(tài)過(guò)壓危害，而LED照明系統則需要滿(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結數組性能降低或損壞，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，嚴重的也會(huì )導致LED的永久損壞。

　　過(guò)熱損壞

　　對于接近80%能量轉化為熱量消散的LED照明設計來(lái)講，熱管理和故障過(guò)熱保護是其面臨的一個(gè)重要課題，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)的。當LED芯片內結溫升高10℃時(shí)，光通量就會(huì )衰減1%，LED就減少壽命50％。

　　電源及驅動(dòng)電路的防護

　　由于LED電源和驅動(dòng)電路容易遭受過(guò)電沖擊和短路故障損壞，因此在驅動(dòng)電路設計中，需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，降低回修率（圖3）。

　　PPTC在LED照明中的過(guò)流保護和過(guò)熱保護

　　雖然很多高端LED驅動(dòng)組件逐漸整合了過(guò)電流、過(guò)溫等保護功能，但在許多場(chǎng)合，特別是過(guò)熱保護方面，仍然需要分立組件方案作為協(xié)同保護方案，以使得燈具具有更高的可靠性和更長(cháng)的壽命。

　　PPTC就是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻，是由聚合物與導電粒子等構成。在經(jīng)過(guò)特殊加工后，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過(guò)（或組件處于正常環(huán)境溫度）時(shí)，PPTC呈低阻狀態(tài)；當電路中有異常過(guò)電流通過(guò)（或環(huán)境溫度升高）時(shí)，大電流（或環(huán)境溫度升高）所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導電粒子所構成的導電通路，PPTC呈高阻狀態(tài)；當電路中過(guò)電流（超溫狀態(tài)）排除后，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，PPTC又呈現初始的低阻狀態(tài)。PPTC的體積小，成本低，可反復使用，因而能實(shí)現保護功能的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)恢復。

　　在LED照明中，根據燈具應用場(chǎng)合的不同有不同的過(guò)熱保護要求，通常分為兩種，分別為達到規定溫度立即斷開(kāi)關(guān)斷保護（圖4），此種保護通常應用于道路交通號志；另外則是到達一定溫度時(shí)啟動(dòng)保護，進(jìn)行降電流驅動(dòng)（圖5），此種保護通常應用于室內照明和道路照明。

圖4

圖5

　　在串聯(lián)相結合的巨型數組照明、或景觀(guān)燈的過(guò)電流和過(guò)熱保護在成本與保護方案的相互平衡中，通常有兩種保護方案可用：

　　1.分路保護（圖6）。對于多串的LED系統，我們可以在每隔支路上串聯(lián)一顆 PPTC分別進(jìn)行保護。這種方式的好處是可以實(shí)現精確保護，不會(huì )因為某一支路的故障而導致整個(gè)燈具的不工作，保護的可靠性好。

　　2.主干路保護（圖7）。這種保護就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC，對整個(gè)燈具進(jìn)行保護。這種方式的好處是成本低，占板面積小。

此外，PPTC可以作為溫度傳感器與LED驅動(dòng)器配合使用，實(shí)現LED數組照明的過(guò)熱保護（圖8），在大型數組照明中，由于LED燈串眾多且結構較為復雜，在實(shí)際應用中容易出現過(guò)熱故障的位置往往并不固定于某個(gè)特定的位置。因此，單顆過(guò)熱檢測組件很難提供完善的過(guò)熱保護。而PPTC在正常工作下的低電阻，以及它的正溫度系數特性，可以方便的將數顆PPTC串聯(lián)于熱保護檢測電路，實(shí)現多點(diǎn)過(guò)熱監控。將多個(gè)PPTC串聯(lián)、并物理安裝于可能出現過(guò)熱的部位，由于PPTC的低電阻，THRM引腳位準為0，電源電路正常工作；當燈具某處或多處發(fā)生過(guò)溫故障時(shí)，THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱，電阻急劇上升，THRM引腳位準變?yōu)楦呶粶?，從而啟?dòng)LED驅動(dòng)器設計的過(guò)熱保護方案，實(shí)現過(guò)熱關(guān)斷或過(guò)熱折減驅動(dòng)。這種解決方案對于LED面光源的過(guò)熱保護可謂經(jīng)濟且有效。

　　結論

　　PPTC由于其本身的諸多特點(diǎn)，非常適合于LED照明系統的過(guò)電流和過(guò)熱保護，在設計中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實(shí)現最佳的熱傳導，使PPTC保護更加實(shí)時(shí)、有效；此外，PPTC產(chǎn)品的封裝形式多樣，能根據客戶(hù)要求訂制封裝，具備高度彈性。但過(guò)熱保護沒(méi)有標準解決方案，具體設計必須結合實(shí)際燈具，并進(jìn)行充分驗證。泰科電子非常樂(lè )意與業(yè)界工程師一起根據實(shí)際