LED照明驅動(dòng)電路失效機理的探討

1.引言

近幾年從事LED制造、和研發(fā)的人員大大增加。LED企業(yè)亦如雨后春筍般成長(cháng)。由于從事LED驅動(dòng)研發(fā)的企業(yè)和人眾多，其技術(shù)水平參差不齊，研發(fā)出來(lái)的LED驅動(dòng)電路質(zhì)量好壞不一。導致LED燈具的失效時(shí)常發(fā)生，阻礙了LED照明的時(shí)常推廣。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器件本身的失效。本文試著(zhù)從實(shí)際的LED電源驅動(dòng)電路這一方面，分析其電路的工作原理，然后試著(zhù)從在不同環(huán)境下的LED驅動(dòng)電路下，分析各種工作敏感參數對失效的影響，來(lái)進(jìn)行失效模式的分析，最后，通過(guò)仿真來(lái)驗證結果。并從理論上給出失效的解決方案。

2.LED驅動(dòng)電路原理

LED是一種半導體材料制造而成發(fā)光二極管，只能夠單向導通，而且其導通電壓不高，正向導通電流也不能太大，所以對LED的供電電源有了一定的要求，這時(shí)LED驅動(dòng)電路應運而生。實(shí)際使用中，大多數的LED產(chǎn)品都是使用交變電源作為L(cháng)ED驅動(dòng)電路的電源輸入，通過(guò)驅動(dòng)電路變成穩壓輸出形式或者恒流輸出形式的一種電路。LED驅動(dòng)電路，根據不同的劃分標準可以劃分為很多類(lèi)型，目前以電路的驅動(dòng)原理，可以劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為線(xiàn)性驅動(dòng)電路，一類(lèi)為開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電路。

2.1 線(xiàn)性驅動(dòng)電路

線(xiàn)性驅動(dòng)電路原理圖如圖1所示，從結構上一般都包含了以下的幾部分，整流電路，濾波電路，穩壓電路。

圖中運用全波橋式整流，使交變電源整流成單向的脈動(dòng)電壓。濾波電路采取RC濾波，由濾波電路濾波出來(lái)的電壓值已經(jīng)比較接近于直流電源了，但是，由于電網(wǎng)上的電壓波動(dòng)，導致驅動(dòng)電路的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，這對于LED來(lái)講，是致命的。所以濾波之后的電壓需要加上一個(gè)穩壓電路。以使線(xiàn)性驅動(dòng)電路可以保持比較平穩的電壓來(lái)驅動(dòng)LED.

在線(xiàn)性驅動(dòng)電路中，LED的亮度與通過(guò)電流成函數關(guān)系，而與加在LED上面的壓降無(wú)關(guān)。從上面的電路原理圖可以看出，線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)電路，結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，研發(fā)周期短，生產(chǎn)成本低，體積小巧，而且，由于沒(méi)有使用很多的大容量電容和電感，電路設計上不需要考慮EMI問(wèn)題?？梢赃m用于低電流照明系統。

2.2 開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電路原理圖如圖2所示，是將輸入的交變電壓通過(guò)整流電路整流和濾波穩壓之后，通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，來(lái)控制LED的電流或者電壓，使LED可以平穩地發(fā)光。下面給出一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)型的驅動(dòng)電路來(lái)逐步分析開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電路的工作狀態(tài)。

從圖2可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)型L E D驅動(dòng)電路可以劃分為以下的幾部分：低頻整流濾波電路、自激振蕩電路、穩壓電路、取樣脈寬調整電路和高頻整流濾波電路等。

市電交流220V通過(guò)12V的變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)橋式整流二極管3N258和電容C2組成低頻整流濾波電路，轉換成一個(gè)類(lèi)直流電電源。功率三極管Q1、Q2、Q3和電容C5電阻R2組成一個(gè)自激震蕩電路，其中Q2是PNP管，為脈寬調整管，Q1和Q3一個(gè)為PNP管，一個(gè)為N P N管，兩個(gè)管子復合組成開(kāi)關(guān)調整器，C5、R2通過(guò)調整參數可以設置器振蕩頻率。利用這個(gè)自激振蕩電路，可以將類(lèi)直流電源轉化為一個(gè)高頻的脈沖信號。高頻信號的頻率可以通過(guò)選頻特性算出?？梢哉{整高頻脈沖的占空比，來(lái)調整設備輸出的能量。電流流經(jīng)電感時(shí)，會(huì )在L的兩端產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，當電流消失時(shí)，感應電動(dòng)勢會(huì )在電路的兩端產(chǎn)生一個(gè)反向電壓，若這個(gè)反向電壓大于某些元器件的反向擊穿電壓時(shí)，將會(huì )損壞這些器件。利用一個(gè)續流二極管D2并聯(lián)在電感的兩端，通過(guò)R4和C6組成的回路，使這個(gè)反向的感應電動(dòng)勢有一個(gè)泄通回路。

R 6、R 7、R 8組成的取樣電路和R 5、D3組成的基準源電路用來(lái)對高頻信號進(jìn)行脈寬的調整，來(lái)調節開(kāi)關(guān)管的飽和導通時(shí)間，進(jìn)而調整電源的輸出電壓。其中R7為可調電阻，方便對這個(gè)電壓的調整。

從上面的分析可以看到，開(kāi)關(guān)型LED驅動(dòng)電路相比于線(xiàn)性驅動(dòng)電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過(guò)調整脈寬來(lái)調整電流，輸出的電流精度十分高，使LED亮度可以受控，適用于與大型的照明場(chǎng)合和電流輸出比較打的場(chǎng)合。

3.LED驅動(dòng)失效機理分析

3.1 LED驅動(dòng)電路失效原因分析

(1)浪涌電流和浪涌電壓

由于驅動(dòng)電路的開(kāi)啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時(shí)間短，導致的瞬間大電流;由于電網(wǎng)上的電壓波動(dòng)和浪涌電壓的沖擊，導致驅動(dòng)電路上的二極管和電阻等器件的瞬間大電壓。這可能會(huì )對LED驅動(dòng)電路上的器件造成永久性的損傷。

(2)靜電放電

靜電放電，即ESD現象。由于電量在極短的時(shí)間內泄放，往往起靜電泄放電壓可以達到幾千伏特。這對于半導體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅動(dòng)IC的內部結構發(fā)生損毀。

(3)元器件使用失效

由于開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電路需要大電容來(lái)進(jìn)行存儲電能，穩壓，而大電容一般使用鋁電解電容。鋁電解電容的失效率較其它元件高，而且由于變壓器和LED在使用時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，這些熱量加劇電解電容的電解液的運動(dòng)，縮短了鋁電解電容的正常使用年限。

(4)工作環(huán)境導致

目前，主流的LED驅動(dòng)是使用交變電源作為電源輸入的，對于一些大功率的LED驅動(dòng)電路，其變壓線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，由熱量而產(chǎn)生了LED失效的溫度應力。溫度應力的時(shí)間模型見(jiàn)下公式：

其中M為溫度應力，T為溫度，t為時(shí)間。