浅析PCB布局设计与LED寿命的关系-电子发烧友网

尽管LED通常是非常耐用的，但由于电应力的原因仍会发生故障。Mauro Ceresa是Cree的EMEA现场应用工程师，将涉及所有与电过应力有关的方面。他将解释为什么会发生故障，以及如何防止这种故障发生。下文将阐述一个好的PCB布局设计的基本方面，以及与LED寿命的关系。

LED具有隐形微损伤

由于LED提供的许多性能优势，固态照明技术已成为照明行业的重要参与者。这种后起之秀技术的性能增强 - 特别是其效率优势 -带来了许多新的应用和LED的广泛采用。

固态光的使用扩散使LED暴露在一系列新的苛刻的工作环境中，并证明它们理论上的“长寿”很容易被各种环境因素所破坏，但幸运的是，在大多数情况下，当由夹具设计故障引起时，这个问题会很快变得明显。

这些故障变得明显的速度意味着业界越来越意识到，如果LED暴露于与固态轻质构造材料不相容的挥发性物质，则LED的预期寿命会受到严重损害。但是，并非所有对LED的威胁都足够明显，以便用户能够在发生大规模现场故障之前采取必要的步骤来解决问题。

最关键的威胁来自为LED供电的相同电源，被称为“电气过应力”（EOS）。每当LED驱动电流或电压超过元件最大额定值时，就会发生EOS。有许多不同类型的EOS - 一些是在LED组装或测试过程中产生的，而另一些是由电源产生或来自电磁场引起的环境。

EOS是固态光技术最危险的威胁，因为它使用相同的路径来点亮LED。此外，它造成的损害往往不是立竿见影的。在许多情况下，LED可能仅在安装后几天甚至几个月停止工作。EOS的这两个特征意味着它可能难以预防，并且解决起来很昂贵。EOS发生和未能检测到故障之间的时间间隔可能很长并且由于可能生产和安装更多的灯具而产生严重的后果，从而增加了保修更换的成本。

为什么电气过应力会发生

EOS可能有多种不同的原因和方式，但只有一个结果：LED故障。EOS损坏LED芯片结构，导致其失效的速度超过其预期寿命。

EOS是由外部来源引起的，例如工作环境，测试程序或人工交互，以及内部交互，如电源坏或错，PCB设计布局或在LED上产生电压或电流的故障组件超过数据表中规定的最大电压。

当电压或电流超过元件最大额定值时，这称为“应力”。为了更好地理解EOS发生的原因 - 无论是开路还是短路 - 以及LED发生故障所需的时间，重要的是要考虑压力的能量含量。每次对固态光产品施加应力时，它都会产生电流和电流，流过整个电路阻抗（夹具加环境）。这意味着对LED施加一定的功率应力。

如果功率应力信号被积分，则随着时间的推移，能量应力将以焦耳为单位进行测量。低能量应力会产生微不足道的损害 - 有时甚至根本没有 - 虽然中等能量应力会损坏LED，但失败只会在很长一段时间后发生。另一方面，高能量应力立即导致LED通过吹掉引线键合或者熔化附着在焊盘上的管芯而破裂。

重要的是要注意，即使在压力之后没有失效，这也不意味着LED没有损坏。低能量和中能量应力可能导致微观损坏（图1），这些损害不会立即可见（图3），但这些可能会在一段工作时间后以灾难性故障结束。这就是为什么每个暴露在电气过应力下的LED都应被视为存在故障风险的设备。

图1：低能量和中能量应力会因微损坏而产生长期短路故障

图2：高能量会在开路中立即造成故障

图3：具有隐形微损伤的LED

不同类型的电气过应力及如何防止故障

有许多可能的EOS来源可能是由于夹具设计问题，人为错误以及固态照明技术进入照明行业之前的法规限制而产生的。

以下内容将涵盖可能导致EOS的所有潜在情况，并提供指导和建议以防止现场问题。在某些情况下，解决方案受到客户设计的强烈影响，这就是为什么LED制造商必须与客户密切合作以确保其夹具设计符合EOS标准。

静电放电

EOS的第一个可能来源是由处理LED或印刷电路板的操作员产生的。这种类型的EOS由静电放电（ESD）产生。ESD是一种持续时间非常短的低能量事件 - 它只持续几微秒。ESD通常在非ESD保护的工作环境中生成。例如，操作员主体可能具有与LED板非常不同的电势，并且当它们与LED接触时，可能发生ESD。

然而，通常，ESD不是LED的问题，因为大多数LED配备有ESD抑制器，其保护LED芯片。然而，一些设计用于最大化光密度的非常小的新LED没有配备ESD抑制器，这就是必须使用外部ESD抑制器的原因。这些附加组件必须非常靠近LED，以便正确保护。这些ESD抑制器已经使用了数十年以保护其他电子设备，并且可以在需要时用于解决这种可能的EOS问题。

电源

另一种可能的电过应力源来自灯具中使用的电源。即使在没有用户误操作的情况下，有几种可能的情况可能会损坏LED。每次选择新的恒流电源时，必须检查输出容差，电流纹波，开关输出期间的瞬态尖峰以及最终的热插拔电流。容差，波纹和尖峰可能是无声的LED杀手，它们会损害元件的完整性而没有任何明显的迹象。图4显示了商用恒流1050 mA电源，代表了许多可能的EOS来源。

图4：商用恒流1050 mA电源的纹波，代表许多可能的EOS源

首先，每次打开固态灯具时，此电源每几毫秒产生2 A的尖峰。如果此处使用的LED类型额定为2 A或更高，则应该没有问题。但是，如果使用的设备的最大额定电流为1.2 A，则在恒定电流1.05 A电源下，可能存在很大的风险。

如果灯具每天打开或关闭一次或两次，LED很可能会持续到预期的时间。但是，如果存在或移动传感器打开和关闭我们的夹具，每小时的许多尖峰将对我们的LED造成压力，从而影响其使用寿命。

这种电源的另一个关键方面是纹波。这里有大约±40％的纹波。除了一些潜在的令人不快的影响，如闪烁和通量减少，这种纹波可能会迫使LED超出规格，并在压力下连续重复循环。

如前所述，如果使用2 A或更高额定电流的LED类型，则不会发生任何事情。但是，对于最大电流为1.2 A的器件，恒定电流电源会严重影响LED的使用寿命。通过将所有这些值增加到公差百分比，考虑平均电流输出的容差也是必要的，这会使情况恶化。

为防止上述情况下的EOS故障，在开关阶段和关闭阶段使用瞬态峰值有限的电源非常重要。这些电源不得超过LED的最大额定电流。此外，典型电流与纹波和正公差相结合不得超过最大LED额定电流。如果满足所有这些条件，电源将不会导致任何EOS。

另一种可能的故障源是电源的反极性连接或负脉冲。如果操作员在测试或生产阶段交换极性，则该EOS会严重损坏LED。为了防止这种情况发生，最好使用具有短路保护的电源，并在LED板上安装一个与LED串并联的二极管。如果电源通过连接器连接到LED板，则极化连接器是最佳解决方案。

最后一次测试 - 总是运行良好 - 它是几个LED板上的“破坏性测试”，用于测量热插拔电流。该测试包括接通电源（不连接任何LED），然后热插拔到LED板。通过这样做，可以测量热插头电流峰值（图5），其表示在灯具组装或测试期间在电接触不良或错误的情况下可能的电过应力。如图5所示的峰值与无负载时的电源最大电压输出和LED串的总正向电压之间的差值成比例。这意味着间隙越大，由误操作或不良电接触引起的LED损坏的概率越高。

图5：“热插拔电流峰值”测试表示可能的过应力，并且可以估计由误操作引起的LED损坏的可能性

为防止热插拔电流引起的EOS故障，遵循排除潜在热插拔方案的组装程序并选择合适的电源和连接器非常重要。

在组装过程中，在LED板牢固连接之前，不得将电源插入电源。此外，在关闭电源之前，不得将LED板与电源断开。使用带有内置限流器的电源也可以使装配操作更安全，同时还可以防止任何潜在的人为错误。

最后，连接器质量至关重要。质量差的连接器具有松散的电气接触，即使电路板与电源电气连接，也可作为热插拔。通常，如果LED产生闪烁或闪烁的光，则可能在其后面有电流脉冲，这可能是EOS的标志，需要进一步研究。通过遵循这些简单的规则，可以避免在组装操作期间的任何可能的EOS。

测试

其他可能产生电压过大的潜在生产操作问题包括在线和实验室测试。这些测试为EOS提供了很高的潜力 - 特别是热插拔EOS。

在线测试往往是自动化过程，在正确完成后可能很有用。为了避免EOS的风险，执行测试的机器软件必须按照这个逐步的过程进行编程：首先，连接探头;将能量施加到测试电路;从电路中移除能量，最后取下探针触点。通过这个过程，驱动电路将成功地测试LED而不会造成任何损坏。

为了确保软件错误不会损坏LED，最好的选择是使用串联电阻的恒压源来限制测试电流。在测量LED光通量，CCT和Vf时，不能进行这种类型的测试，因为从LED到LED的正向电压变化可能会影响这些参数。然而，在所有其他情况下，这是一种非常安全的在线测试LED的方法。

实验室测试更为关键，因为电路板通常是手动测试的，人为错误的可能性非常高。在某些情况下，使用恒流电源，而在其他情况下，带有限流器的实验室电源是客户的首选 - 两者都非常危险。在恒流电源的情况下，如果每次都没有完成序列，则LED将被损坏，而在第二种情况下，存在许多可能损坏LED的变体。

使用恒流电源时，建议在电源线上连接两个按钮，将电源连接到插头。通过这样做，任何操作员 - 甚至是未经训练的操作员 - 将被迫首先将LED板连接到电源，然后按下两个按钮。

即使插入电源，初级也不会通过打开电路的两个按钮通电。只需一个按钮即可运行此测试，但安装一秒可以避免操作员在按下按钮的同时将电路板与另一个电路板连接起来，这样可以确保更安全的过程。

当使用具有限流器的实验室电源时，存在两个主要风险 - 第一个仅仅是有人可能无意中移动其中一个旋钮，导致LED由于设置的改变而施加压力。第二个风险在于电源持续运行，输出级通电，如果限流器电路位于输出电容器之前，限流器将在LED损坏后开始工作。尽管这被认为是一种非常安全的LED测试模式，但事实并非如此。

现场热插拔和长电缆

但固态灯具并非设计用于仓库，许多EOS风险存在于生产阶段之外。这就是为什么技术人员的目标是在安装固定装置后预测潜在的EOS触发器。对于户外应用，这意味着考虑不同的天气条件和电磁场，以及室内应用的开/关循环和其他感应磁场。

今天，大多数LED灯具都配备了一个板载驱动器，可以在安装阶段防止热插拔。在早期的LED采用时代，三个LED MR16灯在安装阶段被热插拔破坏。将驱动器放在灯具外壳上或一起放置在灯具外壳中也可以防止由将LED板连接到电源的长电缆引起的EOS，并且像天线一样起作用。它们连接无线电系统，电梯电机等产生的所有电磁场。

在某些情况下，客户在LED板上放置一个瞬态电压抑制器（TVS）以防止这种类型的EOS和热插拔，但由于两个原因，这是无效的。首先，这些EOS是绕过这些抑制器的高频信号，其次，LED和TVS的电气特性不匹配。

图6显示了一系列12个LED“典型”和“最大”正向电压。应选择TVS，其最小击穿电压大于最大驱动条件下的最大LED正向电压。这是必不可少的，因为与LED灯串并联的TVS在标准工作条件下不得吸收任何功率。

图6：设计不良的瞬态电压抑制器，它不会保护LED，因为它不会穿过LED曲线

在图6中，绿色TVS曲线从不穿过LED曲线，这意味着TVS永远不会保护LED。相反，LED吸收整个EOD。

我们将详细探讨如何设计电路以防止共模或差模EOS，但首先将讨论最佳的PCB设计。

PCB设计

为了避免灯具外壳或散热器与LED灯垫之间存在任何潜在的危险导电路径，印刷电路板（PCB）设计为与铜垫和其他金属部件的边缘保持适当的爬电距离非常重要。连接到房屋。在图7中，靠近边缘的任何铜路必须保持在绝缘距离上。建议的最小距离为3 mm，即使建议的距离在可行时通常为5-7 mm。

PCB设计的另一个重要考虑因素是靠近螺钉的铜迹线。必须考虑螺钉头直径而不是PCB孔来计算距离。当电线熔接在PCB上而不是使用连接器时，电缆线绝缘层覆盖焊盘并且不会减小爬电距离非常重要。

用于LED板的PCB通常是铝基的。铝和铜由介电材料隔开，介电材料提供两种金属之间的电绝缘。该电介质应足够薄，以保证从LED到灯具外壳的良好热传递，但足够厚以提供足够的电绝缘。通常PCB铝与夹具散热器直接接触，因此PCB电介质保证了独特的绝缘性。因此，PCB供应商必须保证所有PCB供电的PCB击穿电压的最小值。

如果任何爬电距离或PCB击穿电压不足以承受环境浪涌，则存在电弧和放电的风险，并且LED将受到EOS的压力和损坏（图7）。

图7：如果任何爬电距离或PCB击穿电压不足，EOS损坏的风险非常高

共模和差模浪涌

大多数LED用户可能会熟悉上面列出的方案。在探索导致EOS的更多情况之前，了解行业监管和保护类别非常重要。

国际电工委员会（IEC）和IEC61140：2016定义了针对人员的电击保护规则。根据国家和产品类型，每个市场销售的设备有不同的绝缘等级要求。

最常用的绝缘分类是I类和II类。I类灯具必须使用专用电缆将其外壳连接到电气接地。另一方面，II类灯具设计用于提供所需的安全等级，无需任何电气接地连接。

保护类符号
一级	第二类

表1：保护等级符号

这两种不同的分类使得固态灯具在暴露于环境压力时表现得完全不同。通常，如果电气接地连接以有效且可靠的方式完成，则I类灯具受EOS故障的影响较小，但实际上，两种灯具类型都需要有效设计以防止EOS损坏。另一个需要考虑的关键规则是IEC60598-1：2014，它定义了灯具的一般要求和测试，包括固态灯具。2014年版本取代了2008版本，并为II类产品提供了相关变更。

第10段;IEC60598-1：2014第4节“建筑”涉及双层绝缘II类灯具。本章第4（IV.10.4）小节规定了保护阻抗装置，指出通过双重绝缘隔开的可触及导电部件可以使用电阻器或Y2电容器作为导电桥。它们需要由至少两个具有相同额定值的独立部件组成。

这些组件必须符合相应的IEC规定。使用Class II灯具，可以添加将LED板连接到灯具主体的特定组件。这使得可以分析在快速瞬态应力期间LED电路的样子。图8显示了两个串联的LED，其中一个简单的型号显示了LED和内置在其封装中的ESD保护器。该型号不考虑所有寄生元件或LED散热垫的影响。导热垫是一个重要的焊盘，允许LED通过许多金属部件有效地将热量从源（结）传递到空气。

图8：两个与ESD保护器串联的LED的简单模型

为了实现非常好的热传递，导热垫应连接到PCB上非常大的铜区域。由于传输面积大，因此可以水平传播热量，然后将其垂直有效地传输到PCB的铝层。由绝缘体隔开的两种金属形成电容器，这意味着PCB是在该特定分析中应该考虑的电容器。根据PCB设计和使用的材料，这种寄生电容可能很大或很小。它不容忽视，了解如何管理它以避免EOS问题非常重要。

LED和TVS可以以非常复杂的方式建模，对于喜欢在模拟中花费数小时的人来说，这是获得乐趣的好方法。为了本文的目的，只使用一个简化的模型，电容器与其他元件并联电子连接，如图9所示。由于每个散热垫与地面之间的寄生电容，重要的是要了解如何连接它们。有两种选择：将它们分开或连接它们。

图9：带电容器的LED和TVS的简化模型

还可以选择使它们电浮动或将它们连接到电压电位。让它们漂浮是一个相对不安全的选择，因为任何共模应力都直接施加在导热垫和LED电气垫 - 阳极和阴极之间。一旦蓝色箭头（图10）标记的点之间的电压降超过LED封装绝缘，就会产生致命的EOS。关于LED封装材料，陶瓷提供比塑料更好的绝缘，并且取决于焊盘之间的距离，可以具有几十到几百伏的封装绝缘电压。在任何情况下，共模信号可以容易地达到数千伏，从而对LED产生电过应力。