关于五类常见LED照明应用的电路保护设计分析

过去几年，LED照明技术已经日趋成熟，已经扫清了它成为照明设备的各种障碍。LED照明曾经是科学家和“尝鲜”用户的宠儿，但现在已成为“主流产品”。该技术有望使人们告别暴涨的电费、冰冷的荧光灯，并实现长寿命，LED灯的更换频率相当低，以致可能需要指导才能正确更换！但LED照明是否真正兑现了这些承诺？

在今年早些时候参观新近装修的一座建筑时，主人详细介绍了用于提供工厂车间普通照明的LED灯具的一些特点。他的说法有点类似于“它们是真正的好灯——它们拥有七年保修”。他的声音中没有一丝怀疑，但当问及假如灯具实际不能持续如此长时间而需要的维修/替换成本时，他并没有回复。如果这些LED灯过早失效呢？

让我们来看看具备广阔市场前景的五类LED照明应用，并讨论对照明系统的威胁以及可最大提升可靠性用于“强化”你的设计的各种电路保护策略。

本文聚焦于那些有价值的电路保护部分。当然，安全性评级机构（UL，ETL等）会要求最低的消防和人员安全措施。这篇文章的真正目的是如何更划算的延长被保护设备的使用寿命（而不是那些由安全人员解决的问题）。灯具的真正价值超出其零售价（虽然这肯定是一个因素），包括有价值的功能（发生故障时可能使人或其它设备陷入危险），难以接近（维修或更换时的接近成本可能比设备本身成本高出一个数量级），或目标销售市场中可靠性是供应商之间的竞争热点。

交流输入通用照明

图1的框图显示了一个典型的工业照明灯具。第三个模块表示交流电路的无变压器整流（也叫桥式整流，简称BR），功率因数校正（PFC）电路，以及许多工业照明装置中都包含的一个电容器组，它可将120Hz的脉冲平滑到一个可接受的水平。防火安全也要求在输入端加入保险丝，通过保护关键的电子元件，避免它们失效引起输入端的过大电流，这种在整体设计中加入过压保护的方式，有助于确保保险丝不会熔断。桥式整流（BR）中的二极管常是电压浪涌的首批损坏元件。

如果没有输入过压保护，交流输入浪涌会找到进入DC / DC电压-电流转换器模块的路径，而转换器中的开关电子器件刚好负责将高直流电压输入转化为LED可用的电流。电路中这些电子器件的额定电压会高达数百伏，但很容易被超过其额定值的单次电压浪涌摧毁——实际上，附近的雷击或工业电动机被切断时可引起几千伏的尖峰电压。

在交流输入端设立合适的高容量金属氧化物变阻器（MOV）器件网络是限制电压浪涌的一种解决方案。在每一次浪涌吸收后MOV器件会老化，因此一定设计时要留有余地，在路灯应用中，电子元件基本上附着在避雷针上面，通常建议将MOV器件和线路电压硅TVS二极管器件相结合。 Littelfuse的AK10-170C是120V线路电压的选择之一。TVS器件提供精确的电压钳位，而且不会老化，但是TVS的缺点是成本很高。如果维修成本预计非常高以及需要调用专业勤务车和技师时，那这些电路保护设计引发的额外成本通常认为是合理的。如果设备仍在保修期内，这些高昂的维修费用可能由制造厂商来承担。

如图1所示，在一些工业设计中，交流输入保险丝的尺寸必须能够承受MOV器件的非常大的浪涌电流。在这些情况下，开关部分（同一框图中的DC/DC转换模块）故障时保险丝可能不够敏感而无法断开。但是，下游保险丝可以被放置在线路整流阶段（BR + PFC模块之后），它更接近于匹配工作电流。但由于它是直流电路，必须使用专门的高压直流保险丝。 Littelfuse的477系列保险丝在设计时就针对这类应用。

在一些设计中，实际上LED本身与相应的驱动电路相距较远。这有利于保证LED产生的热量远离电子驱动器。在一些路灯应用中，电子器件位于基座上，而LED则在灯杆上，在这些设计中合适做法是提供额外TVS器件，以保护LED灯串免受感应高电压影响，因为从驱动器电路到LED的长导线会出现天线效应（参见图1中DC/DC转换后的TVS模块）。

线邦定式LED结构通过引线连接到一个较长的高电压串，这种结构设计具有一个额外的故障模式，即热循环或机械振动可能引起引线接合破裂，导致LED电路开路。解决办法是使用LED开路旁路器（图1），旁路掉发生开路故障的LED，以保持灯串的其余部分继续工作。如果没有这些器件，失效为开路的一个LED灯会熄灭所有LED灯串。一些保证措施允许一定比例的LED灯发生故障，只要灯具则可维持指定的最低亮度输出。

更多保护措施请关注我们的的下篇文章。

编者注：什么是桥式整流？

桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。

桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。