小功率LED驅(qū)動器中的電路保護

引言

隨著全球范圍能源的緊缺，以及對環(huán)境保護的日漸重視，各個國家都提出了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，綠色照明已經(jīng)成為各個國家的共識。2012年，日本政府將全面禁用白熾燈，中國臺灣地區(qū)也宣布，截至2012年底全面禁用高能耗的白熾燈泡。美國也將會從2012年開始，禁售大多數(shù)白熾燈泡，并開始逐步淘汰40W、60W及以上功率的白熾燈泡。由于LED照明具有高節(jié)能以及綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點，而且LED燈的壽命可以長達10萬小時，所以對于照明領(lǐng)域，LED照明已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。針對LED燈的超長壽命，驅(qū)動電路的可靠性也日漸重要，本文介紹選擇正確保險絲的一般流程，并通過實例探討小功率LED驅(qū)動器中的電路保護問題。

選擇正確保險絲的一般流程

保險絲在電路中主要有三項基本功能，即保護功能，承載功能和安全功能。

通常選擇保險絲需要注意以下十大要素：

1.額定電流；

2.額定電壓；

3.工作溫度；

4.電壓降 / 冷電阻；

5.熔斷特性: 時間-電流特性和過載能力；

6.分?jǐn)嗄芰Γ?br />
7.熔化熱能值；

8.耐久性（壽命）；

9.結(jié)構(gòu)特征：外形/ 尺寸和安裝形式；

10.安規(guī)認證

概括來講選擇正確的保險絲應(yīng)當(dāng)具備適當(dāng)?shù)娜蹟嗵匦院皖~定電流；足夠而合理的抗浪涌能力；合適的分?jǐn)嗄芰Α㈩~定電壓和安全認證，同時還要協(xié)調(diào)好保護性能和耐浪涌能力之間的關(guān)系。

保險絲從熔斷性能可分為快熔斷型和慢熔斷型兩種，快熔斷型保險絲通常適用于沒有或很小浪涌的阻性電路或敏感器件的保護，慢熔斷型保險絲則通常適用于開關(guān)電源或者熱插拔時有浪涌電流的容性或感性電路。TE Connectivity 2410SFV系列保險絲則是抗浪涌能力較大的中空型表面貼裝保險絲，它可應(yīng)用在高電壓有較大浪涌脈沖的電路保護中。

目前工程師在選擇保險絲時，都會選擇抗浪涌能力大的，即I2t值大的保險絲，其實這是個誤區(qū)，選擇正確的保險絲不是電流值越大越好，也不是I2t值越大越好，并不能簡單根據(jù)慢斷還是快斷保險絲來選擇，而是根據(jù)實際的I2t來選擇合適自己應(yīng)用的保險絲。

圖1為選擇正確保險絲的一般流程圖。圖2為計算浪涌電流I2t值常見的波形和公式。

圖1 保險絲選擇流程圖

由此可見，選擇保險絲不僅要考慮電流折減和最高工作環(huán)境溫度，而且還必須需要考慮接通電源所造成的電流浪涌，然后在穩(wěn)態(tài)電流計算值和瞬態(tài)電流計算值之間取較大者。

圖2 浪涌電流I2t值常見波形和公式

小功率LED照明中保險絲選擇實例

雖然現(xiàn)在LED的壽命可以長達10萬小時，但是LED的高結(jié)溫會很大程度影響LED壽命，在LED照明設(shè)計中，LED目前的轉(zhuǎn)換效率仍為兩成左右，即有高達八成的電能會轉(zhuǎn)換成熱能。LED的溫度對光通量與波長都會有一定的影響，但更重要的是溫度對LED本身壽命的影響，LED溫度越高其壽命會越短。因此散熱問題仍舊是LED照明面臨的一項重要挑戰(zhàn)。

目前各大廠家采用的解決方案是用鋁基板來為LED散熱，因為鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很高，可以有效將內(nèi)部熱量導(dǎo)出。通常，在設(shè)計散熱器時，散熱片表面積越大，散熱性能越好。在散熱器尺寸有限的情況下，加大散熱器溝道深度是增加表面積的有效方法。但伴隨散熱器溝道深度的增加，LED電源驅(qū)動板的內(nèi)部安裝空間會相應(yīng)減少。這將驅(qū)使LED球泡燈的電源驅(qū)動板朝小型化方向發(fā)展，這就要求元器件都能小型化，最好能采用貼片封裝的器件。

在TE Connectivity 2410SFV系列保險絲問世之前，在LED驅(qū)動電路電源輸入端的保險絲主要采用玻璃管保險絲、小黑豆保險絲或者Micro型保險絲，他們的共同特性都是插件形狀，占用PCB空間大，用玻璃管保險絲有時還需要加配熱縮套管，這樣裝配成本就會大大增加。但是在TE Connectivity 2410SFV系列保險絲問世之后，如果在電源輸入端采用貼片型高壓保險絲, 就可以顯著減少驅(qū)動電路PCB空間。通過試驗證明，在相同的LED驅(qū)動電路板上，相比傳統(tǒng)的玻璃管保險絲或者小黑豆保險絲，采用TE Connectivity 2410SFV保險絲會節(jié)省最高達80%的空間。通常LED驅(qū)動電路板都會做成單面PCB，但是同時會用到插件和表貼的器件，所以有時候LED照明廠家也會用波峰焊來完成所有的焊接，這樣保險絲就要承受高溫而不能脫落端帽，由于TE Connectivity 2410SFV系列保險絲是采用FR4 PCB玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂為基體的特殊工藝, 以PCB上的銅箔為端子架構(gòu), 再經(jīng)電鍍處理來完成整個流程，這樣有效避免了端子頭脫落的風(fēng)險。因此TE Connectivity 2410SFV系列保險絲滿足LED照明小型化的要求，而且通過UL安規(guī)認證，也滿足LED的特殊工藝要求。

圖3是一典型的LED驅(qū)動電路圖，采用Flyback電路結(jié)構(gòu)。圖中F1是用于過流保護的保險絲，R1是用于抑制浪涌電流的NTC，NTC的參數(shù)可以按照具體應(yīng)用來確定，C5是用于交流轉(zhuǎn)成直流以及儲能的電解電容。浪涌電流的大小受圖3中電解電容值的大小、材質(zhì)，以及是否采用PFC方案來決定。通常，電解電容的容值越大，浪涌電流也會越大，電解電容的材質(zhì)越差，浪涌電流就會越大，如果LED驅(qū)動方案采用PFC方案（包括有源和無源PFC），浪涌電流值就會相應(yīng)減小，反之亦然。

                                                  圖3 典型的LED驅(qū)動電路圖

由于LED照明的特殊性，它的輸入功率很小導(dǎo)致它的穩(wěn)態(tài)工作電流也非常小，在選擇保險絲時主要考慮的因素是脈沖環(huán)境下浪涌電流的影響。

圖4為上例中LED驅(qū)動器浪涌電流測試圖，圖中的浪涌電流峰值為22A，波長時間為152μs，通過和圖2對比，可知此測試波形和圖2中第4個波形最為相似，就利用它的計算公式：I2t=1/2Ip2t=0.5*22*22*0.152*ms=0.037A2Sec，再利用圖1中應(yīng)用脈沖循環(huán)折減系數(shù)、溫度折減系數(shù)以及整個電路系統(tǒng)差異折減系數(shù)(這些折減系數(shù)可以參見TE Connectivity 2410SFV系列保險絲規(guī)格說明書)，最后得到I2t為0.166 A2Sec，從表1可見2410SFV0.75FM/125的I2t就大于0.166 A2Sec，因此2410SFV0.75FM/125規(guī)格以上的保險絲就能滿足浪涌電流I2t的要求。


圖4 LED驅(qū)動器浪涌電流測試圖

雖然上面已經(jīng)得到了保險絲的型號，但是對于LED照明電源，對于保險絲的選擇還要遵循雷擊測試標(biāo)準(zhǔn)，具體可以參照IEC61547/EN61547，測試標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)見圖5。由于小功率LED燈具一般都能滿足25W以下的要求，所以line to line的測試標(biāo)準(zhǔn)是±0.5kv，測試波形為1.2/50μs，即差模測試標(biāo)準(zhǔn)為1.2/50μs ±0.5kv。line to ground的測試標(biāo)準(zhǔn)是±1.0kv，測試波形為1.2/50μs，即共模測試標(biāo)準(zhǔn)為1.2/50μs ±1.0kv，此外對于差模和共模信號，都要求在不同的相位角（0度、90度、180度和270度）各打正負5次。TE Connectivity 2410SFV系列保險絲最大可以承受1kV的雷擊等級，所以完全滿足IEC61547/EN61547關(guān)于小功率LED燈的雷擊測試要求。

綜上所述，對于圖3的LED照明燈保險絲選型，如果需通過1kV的雷擊等級，那么最終選擇2410SFV2.00FM/125就能滿足所有關(guān)于穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)以及雷擊等級的要求。

圖5 LED照明雷擊測試標(biāo)準(zhǔn)

TE Connectivity公司2410SFV保險絲

TE Connectivity提供型號齊全的表面貼裝SMD封裝保險絲。其最近推出的全新2410SFV表面貼裝保險絲，是一款采用完全創(chuàng)新的工藝技術(shù)制造的表面貼裝小型熔斷器。圖6是TE Connectivity 2410SFV保險絲的外形圖。


圖6 TE Connectivity 2410SFV保險絲的外形圖

TE Connectivity 2410SFV系列保險絲作為WIA（Wire-in-Air）保險絲，它采用的是直線式配置，采用超薄 (6.1×2.5mm)2410 SMD封裝，溫度范圍從-55℃到125℃，電壓從65V交直流到最大250V交流，電流從0.5A到最大20A，能夠提供直流電源和交流電源系統(tǒng)的過電流保護。TE Connectivity 2410SFV系列保險絲還提供從0.0034Ω到0.231Ω 的標(biāo)稱冷態(tài)電阻值（DCR）和從50A到300A的高分?jǐn)嚯娏?。對?20V交流輸入的應(yīng)用，2410SFV目前支持的最大電流可以達到2A。表1是TE Connectivity公司的 2410SFV系列保險絲參數(shù)表。

表1: TE Connectivity 2410SFV系列保險絲參數(shù)表



TE Connectivity 2410SFV系列保險絲，它的熔絲經(jīng)過特殊的設(shè)計，熔絲是挺直懸空在中空腔內(nèi)，這樣能避免熔體碰壁影響散熱條件，從而提高產(chǎn)品性能一致性，而且熔絲架空設(shè)計提供了更低的冷態(tài)電阻。2410SFV系列保險絲所采用的玻璃纖維強化環(huán)氧樹脂封裝技術(shù)能最大程度的避免傳統(tǒng)貼片保險絲端帽脫落的風(fēng)險。同時TE Connectivity 2410SFV系列保險絲按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和“綠色”產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，能完全實現(xiàn)無鉛化，并且符合RoHS(有害物質(zhì)限制指令)標(biāo)準(zhǔn)和 UL(美國保險商實驗室)的認證。

更加重要的是，TE Connectivity 2410SFV系列保險絲具有高浪涌I2t容耐能力，在瞬間過載情況下的高抗浪涌電流承受能力可以最大限度地減少令人討厭的干擾性熔斷。