LED照明系统的过压过流防护 - 全文

　　

　　随着LED照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助照明等公共场合，LED照明灯具渐渐替代了一些传统光源产品。在使用时间较长的商业应用场所，LED 灯具迅速成为市场的新宠，LED行业在近些年得到了较快发展。全球LED各应用领域中，通用照明和汽车照明领域为增速最快的市场，成为推动未来LED市场规模快速增长重要驱动因素。

　　1.智能照明：

　　随着LED照明产品价格持续下降，LED照明市场迅速增长。技术的进步，也使得LED照明技术从最初的简单照明向智能照明发展。智能照明不仅可以实现照明系统的智能控制，同时也成为互联网的一个入口，从而衍生更多高附加值的服务，例如健康管理、地图定位、商品导购与广告等。从传统照明进入智能照明，市场需求无疑是推动这一举动的强大动力。不可否认，智能照明发展是大势所趋。

　　2.汽车照明：

　　我国汽车产销量超过2000万辆，已连续五年蝉联全球第一，庞大的汽车市场带动着相关汽车配件行业蓬勃发展，其中LED汽车照明市场的增长更为快速，增长幅度远超汽车相关产业的平均增速。截至2015年底，汽车照明需要完成二氧化碳的减排目标。作为公认的低碳环保照明的典型代表，LED有望纳入汽车照明升级改造的范围，由此意味着百亿、甚至于千亿级的市场需求。

　　但由于LED使用环境的复杂性，人们在实际使用中LED往往容易坏，其实就是因为没有考虑到LED的使用特性以及应有的保护。尤其是当LED是用在户外时，其驱动电路及灯珠非常容易遭受到过电压和过电流的冲击而造成故障或损坏，引发不必要的财产损失甚至是人员伤亡，因此在设计LED照明电路时必须要充分考虑并做好保护措施，从而提高电路的可靠性，降低故障发生率。瞬雷电子一直致力于这方面的研发，从产品研发到系统设计，无不倾心尽力。下面就 LED 照明系统过压过流干扰的故障现象、产生原因、解决办法予以简单论述。

　　一、LED的过压过流故障现象

　　当出现过压过流干扰时，元件性能会减弱或损坏。LED 元件的过压过流损坏与干扰能量的发生次数或持续时间长短无关，因为任何一次过压过流干扰都可能导致LED 损坏。这种损坏可以表现为器件立即失效，也可能在发生过压过流干扰后许久才失效。LED 芯片的小型化和LED灯具内部电器结构的复杂化正在使这一问题变得更加严重。灯具内LED 芯片的过压过流故障主要有以下两种现象：

　　a、芯片内部焊接线损坏

　　过压过流干扰导致的第一种失效模式是LED 封装内部的焊接线受损。这种损坏通常表现为接线烧断。此外，过压过流干扰还能导致靠近焊接线的其他材料（例如密封材料或荧光体）损坏。

　　b、 芯片焊盘位置损坏

　　过压过流干扰 导致的另一种失效模式是LED 芯片本体靠近焊盘的位置受损。

　　二、LED 发生过压过流干扰的主要原因

　　LED 芯片发生过压过流干扰的原因有多种，如浪涌、静电，来自其他设备的脉冲信号干扰、灯具组装时不恰当的工作方法、接地点不够导致电流快速转换引起高电压等情况都会引起过压过流干扰。但以下两种情况是LED 灯具生产与使用过程中造成过压过流干扰的主要原因。

　　a、静电放电ESD

　　静电放电是大多数电子元件在生产、运输、加工过程中不可避免的风险。虽然目前大多数的LED 芯片自身已经具有防静电干扰的设计一般为2kV，但静电放电依旧是LED 芯片在灯具生产环节损坏的主要原因。

　　b、 短时间的过负荷

　　短时间的过负荷即短时间内LED 的输入电压或电流超过其额定值如浪涌电压或雷击。过负荷一般只持续极短的时间通常不会超过500ms类似的电压或电流称为尖峰电压或尖峰电流。短时间的过负荷是LED 芯片在灯具正常使用过程中损坏的主要原因。

　　三、LED过压过流干扰的防护方法：

　　1 防止静电放电损坏LED 的方法

　　静电放电是LED 芯片的隐形杀手。LED 灯具生产过程中每个阶段的每个步骤都可能使LED 受到静电的损伤。静电防护就是消除静电或把静电电压控制在允许的范围内使它不致产生危害。生产过程中静电防护的主要措施为：

　　a 保证车间生产人员及生产设备的静电防护。（屏蔽与接地）

　　b 尽可能的使生产车间和周围环境达到防静电要求。（中和、增湿、屏蔽与接地）

　　c 采用静电保护器（ESD）对各接口芯线对地做静电防护。（静电泄露、耗散）

　　依照上述防静电措施进行操作，将静电防护工作当作一项长期的系统工程，防止任何环节的失误或疏漏，加上LED 芯片有一定的防静电干扰功能，则在生产过程中可以有效地防止静电放电对LED 的损伤。

　　2 防止LED 芯片短时间过负荷的方法

　　防护瞬间过电压或过电流等LED 短时间过负荷现象常用的器件有瞬态抑制二极管TVS，热敏电阻MOV，浪涌静电硅抑制器SET等。目前LED 灯具防过负荷设计方案分为两种：第一种为保险丝、压敏电阻MOV、瞬态抑制二极管TVS组合形成的电源输入端保护电路，一般用在LED 灯具电控系统的输入端口防止在正常运行时由于电源瞬间浪涌干扰原因造成的LED 故障。第二种为瞬态抑制二极管TVS、负温度系数热敏电阻器（NTC）过负荷保护电路，一般串联在LED 芯片组成的照明电路中，防止LED 灯具通电开启瞬间造成的LED损伤。以下对这两种方法分别予以讨论。

　　2.1 防止电源瞬间浪涌干扰造成LED 损伤的的保护方案

　　

　　方案中主要用到压敏电阻MOV及瞬态抑制二极管TVS做过压防护，压敏电阻是一种具有电压电流对称特性的电压属性电阻器，它主要用来保护电子元件免受尖峰电压或尖峰电流的影响。压敏电阻在常态时对受保护的电子元件具有很高的阻抗，而且不会改变电路特性，但当瞬间尖峰电压出现越过压敏电阻的击穿电压时，该压敏电阻的阻抗会变低（仅有几欧姆），并造成原线路短路，从而对电子产品或元件进行保护。将压敏电阻接入LED 灯具电源输入端，可防止在正常运行时由于电源瞬间浪涌干扰造成的LED 故障，防护方案如图1所示。正常运行时一旦电网电压升高，压敏电阻会瞬间击穿短路，对过压能量进行吸收和泄放，从而有效的防止过电压进入受保护线路。方案中用到2个保险丝Fuse 1和Fuse 2，其中Fuse 1在压敏电阻的前端，用来防止压敏电阻失效而短路，但也要通过雷击大电流。因此，通常选用慢融性保险丝，其不承担过载短路的作用;而Fuse 2是用来防止过载，选用快熔性保险丝，不承担浪涌电流，可以根据负载额定电流选择合适的保险丝。后端为瞬态抑制二极管TVS是对前级压敏电阻的残余能量进行进一步的吸收和泄放。更好的保护后端负载。

　　2.2 防止通电瞬间损伤LED 的保护方案

　　

　　在LED 灯具刚刚通电时会产生一种常见的瞬间过电流现象，这种现象被称为浪涌电流。可以采用在灯具内部电路使用NTC 电阻器的方法实现LED 灯具的浪涌电流保护（如图2）。具体而言，就是在灯具刚刚通电时NTC 器件提供一个高电阻值来保护LED免受浪涌电流的损坏，在过渡时间之后NTC 电阻器的电阻会降低到可忽略不计的数值。方案中的瞬态抑制二极管TVS对瞬间的浪涌能量提供一条通路，保护后端LED灯珠不受影响。

　　2.3防止LED 灯珠开路（电源极性反接保护）的保护方案

　　

　　当LED输入端有高压脉冲时会导致后端芯片及LED灯损坏，而瞬态抑制二极管TVS可以对高压脉冲进行吸收和箝 端电路可承受的范围内，从而消除了由输入端带来的干扰。O.C.P为半导体过压型保护器件，当灯珠两端有静电和过电压时可瞬间吸收和箝位，把电压降低，并且当LED开路损坏时，电流无法流过损坏的LED灯珠，此时电源的电压全部加在O.C.P上，很快O.C.P两端的电压就达到了它的开关电压，O.C.P 开始工作，随后将电压降低到1V左右，电流从O.C.P流过也经过了其它的LED灯珠，其它的灯珠又亮了起来。当LED灯串被反向通上电源时，所有保护器 O.C.P都会开始导通，将这些被保护的LED上的电流分流以保护它们不受伤害。在反向电极纠正之后，保护器会关闭，LED正常工作。

　　随着社会的发展和大家对节能环保的意识不断提高，LED灯具的市场前景将是一片光辉，不断进步的LED照明市场需要性能良好的硬件设备（灯具），正确的硬件设计是产品成功的关键。前期在硬件设备设计时充分考虑各种干扰因素的影响会使灯具质量得到很大的保证，对硬件设备进行适当的过压过流冲击防护设计能够大幅度地提高它的的使用寿命，减小维修成本，更好的满足人们的需求。