LED保护解决方案的介绍

高亮度（HB）LED的出现为固态照明开辟了新的应用范围。除了更熟悉的用途，例如家用照明，广告牌和零售场所的显示照明，LED现在通常用于从车灯到路灯，交通信号灯和机场跑道标记的应用中。

这些应用中的每一个都利用了LED的许多积极特征中的一个或多个。例如，与白炽灯相比，LED可以抵抗振动和冲击;他们可以通过减少电力消耗和减少更换和更新的频率来降低运营成本 - 通常引用35，000到50，000小时的寿命;他们很可靠;在电气特性方面，它们反应迅速。但是，为了获得这些相当大的优势，设计人员需要了解使用LED设计的一些潜在缺陷。例如，由于电源问题和雷击造成的ESD和电气瞬态损坏，它们比传统灯具有更高的风险。这种事件在户外应用中更常见。此外，最常用于生产HB组件的技术 - 例如采用蓝宝石或SiC基板的技术 - 最容易受到这种损害。

LED也容易受到温度循环和振动的影响，这两者都会损坏其内部引线键合，导致性能下降并最终导致“开路故障”。过电流和过温条件会导致热失控型现象。然而，即使是内部短路开始的故障，以及随之而来的加热，也很可能在内部引线键合连接失效后以开路结束。乍一看，这些有些不同寻常的潜在失败模式似乎只是有趣的奇怪之处。然而，有一些重要的后果，特别是当设计人员选择 - 通常如此 - 通过单个恒流电源为一串LED供电时。

这个设计策略背后有充分的理由。首先，简单的经济学规定单个电源将更具成本效益。然而，同样重要的是，LED亮度很大程度上取决于电流。这意味着串联串是确保组内LED之间均匀亮度以及对组施加共同亮度控制的最简单方法。

问题是，当LED开路时，电流会停止流过整个系统，并且灯串中的所有LED都会变暗。虽然在广告牌中仅仅是难看的，但是这个问题会对车辆信号或前灯造成安全隐患。在交通信号灯或路灯的情况下，问题在于更换的可能性并不简单。

作为解决此问题的解决方案，电路保护元件制造商提供了一系列解决方案。据TE Connectivity称，有时被忽视的事实是，与白炽灯或紧凑型荧光灯（CFL）技术相比，LED传导的热量更多，辐射更少。因为LED故障经常导致产生过多的热量，所以存在严重的热条件甚至火灾的风险。

为避免这些问题，该公司建议使用其Polyswitch RUEF系列正温度系数（PTC）器件之一，也称为可复位保险丝，与高风险LED串联。

图1：Polyswitch正温度系数（PTC）器件可与LED串联使用，以防止出现热量问题。

Polyswitch器件放置在靠近LED的位置，因此除了可以防止电气引起的过电流情况外，它还会因环境或电路条件导致过热而跳闸。与所有公司的Polyswitch系列一样，使用此类器件的优势包括其可复位性，快速跳闸时间，正常工作时的低电阻（因此功耗低）和小尺寸。

Littelfuse，Bourns，安森美半导体和意法半导体等制造商都提供专为保护HB LED而量身定制的元件。它们与一个或多个LED并联连接，并且可以执行许多有用的功能。首先，在线，如果LED失效打开，保护组件接通并传导电源电流，有效地绕过故障LED并允许由相同电源供电的其他LED保持点亮。

作为子组件的一部分，这些组件还可以提供防雷和ESD事件的保护。这两种瞬态现象具有相当不同的特性：雷电浪涌具有以微秒为单位测量的上升时间，而ESD事件以纳秒为单位测量。设计人员需要评估LED在线的风险，并实施适当的保护程度。

最后，如果电源无意中反向连接，可以使用一些LED保护器来防止LED损坏。如果没有保护，这通常会导致LED上出现全电源电压，从而进入击穿导通，从而造成潜在的损坏。 LED保护器既可以选择双向特性，也可以选择低于指定正向偏置电压的击穿电压。这两种方法都会导致反向电流通过保护元件分流，再次防止损坏LED。

在规格和选择方面，这些设备的设计相对简单。在正常操作中，它们消耗的电流非常小，从而最大限度地降低了它们对稳态系统功耗的影响。然而，当施加到器件的电压达到某个阈值 - 转折电压时 - 保护器进入低电阻导通模式。只要电流通过仍然高于定义为“保持”电流的水平，它就会保持这种状态。如果电流在任何时候都低于该水平（例如，如果它正在保护的LED被更换或自我修复），则设备将关闭并恢复正常运行。

选择转折电压对于避免错误至关重要跳闸。设计人员应选择一个其击穿电压足以超过其所保护的LED指定正向电压的元件。如果要将设备连接到多个LED以实现更低成本的保护，则转折电压必须明显大于所有LED的正常工作电压之和。此外，值得注意的是，不同颜色的LED倾向于具有不同的正向电压额定值：这些通常在红色器件的约2.7V至蓝色的约4.1V的范围内。

当然，指定转折电压不仅仅是“越高越好”的情况。设计人员必须确保在发生故障时设备实际上会跳闸。这里，最重要的参数是电源的开路（或顺应性）电压。如果电流停止流动，这是保护器上出现的最大电压，它必须足以触发导通。

该组件必须能够承受电源的最大电流源。对于雷电和ESD保护，它需要符合各种相关的IEC标准（例如人体模型或ESD的HBM规范）。此外，如果需要反向偏压保护，保护器的反向击穿电压必须小于LED的相应值。

Littelfuse PLED系列是此类设备的典型产品。 PLED保护器的击穿电压分别为6，9，13和18 V，使设计人员可以选择使用单个PLED器件保护多达四个LED，具体取决于成本限制和可靠性考虑因素。 PLED5系列提供固有的反向偏置保护：它具有1.1至1.6 V的反向偏置导通电压，远低于典型高功率LED的反向击穿电压。当使用PLED5器件向LED灯串反向供电时，所有保护器都会导通，转移有害电流。

图2：每个Littelfuse PLED设备均可用于保护一个或多个LED。

PLED系列兼容单瓦，2瓦和3瓦LED，在±15 kV空气放电，±8 kV接触放电和±40 A的EFT（电快速瞬变）下提供ESD保护，5/50 ns。有效电流大约为微安。

Bourns的LSPxxxxAJR系列是LED分流保护器，采用表面贴装DO-214AC（SMA）封装。该公司表示，这些设备特别适用于LCD背光，交通照明，航空电子设备，本质安全和低维护照明，除了小尺寸的优势外，它们还提供快速切换，自动复位以及防止浪涌和瞬变的保护。

图3：Bourns的LSPxxxAJR组件采用紧凑型SMA封装。

提供6，9，13和18 V版本，这些设备可用于保护字符串中的单个和多个LED。 Bourns认为它们提供了使用齐纳二极管的可行替代方案，由于成本原因，这在高功率电路中是不切实际的。根据低能耗要求，当LED发生故障时，处于导通模式的LSPxxxAJR器件耗散的功率低于其保护的LED。

安森美半导体的NUD4700推荐用于高可靠性应用，如前灯，灯塔，桥梁，飞机和跑道，以及LED容易出现瞬态和喘振状况的情况。该器件设计用于1 W LED（标称值为350 mA，3 V）。

该公司引用了NUD4700的优点，它的简单性和能够在失败的LED自我修复或需要更换时自行复位。通态电压通常为1 V，关态电流小于250 mA。

STMicroelectronics LBP01提供双向和单向两种版本，提供符合IEC61000-4-2第4级（±15 kV空气放电，±8 kV接触放电）和IEC 61000-4-5（±1 kV）的浪涌保护/24 A）。

图4：STMicroelectronics的LBP01有单向和双向两种版本。

与提供高达1A电流的LED兼容，该器件的两个版本均为IEC 6100-4-2和IEC 6100-4-5标准提供浪涌保护，额定峰值脉冲电压接触放电电压为30 kV，重复峰值脉冲电流（8/20μs）为24 A.它们采用SMB或SOT23-5L封装。正常工作时的工作电流极低，为100 nA，而保持电流为200 mA时，处于“跳闸”状态的器件耗散的功率低于其保护的LED。

结论

高亮度LED的出现为设计师提供了广泛的机会。然而，就元件和电路保护而言，它们可能带来挑战。传统上通过包含MOV或TVS二极管来处理ESD和其他浪涌类型现象，但是这些设备无法防止一串LED发生单一故障。 LED电源和驱动器IC本身通常包括开路LED保护 - 但重要的是要了解这通常用于保护（恒定电流）电源免受开路条件的影响。以前的方法通常使用齐纳二极管来减少单个LED故障的影响 - 但对于高功率LED，这种方法不具有成本效益。

因此，许多电路保护公司推出专用LED保护器是向前迈出的宝贵一步。通过精心设计和元件选择，工程师现在可以确保灯仍然保持开启，即使在最苛刻的应用中也是如此。