隨著照明技術從極為耗電的白熾燈轉到冷陰極燈管(CCFL)，再發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)光二極體(LED)燈，可以很清楚地看到在最終用戶愿意為更綠色的照明支付更高的成本的同時，他們也有一個內在的期望，即壽命更長和更高的可靠性才將是他們投資的凈效益。
在滿足這些期望的同時，LED設計工程師們必須考慮到影響他們產(chǎn)品效能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度、再到過壓和過溫保護，LED技術的獨特性帶來了較陳舊的技術不相干的各種新挑戰(zhàn)。
憑藉改善的晶片設計和材料，LED技術已經(jīng)快速發(fā)展，促使其向更亮、更高效節(jié)能、壽命更持久的光源快速發(fā)展，并能夠應用在更廣泛的範圍。儘管技術日益普及，但仍然有一個事實，即過多的熱量和不恰當?shù)膽脮@著影響LED壽命和效能。
高亮度LED(HB LED)是節(jié)能的、高價效比的設備，能夠確保下一代的照明解決方案。從建筑照明到汽車照明到各種顯示裝置的背光、和新型消費性電子(如照相手機中的閃光燈)，HB LED照明的應用持續(xù)成長。
HB LED照明系統(tǒng)中的過流情況
LED光輸出隨晶片類型、封裝、每個晶圓批次的效率和其他變數(shù)而變化。LED製造商使用如高亮度這樣的術語來形容LED的密度。HB LED驅動器可由線性或者交換式電源供電。當電源電壓略微大于負載電壓時，線性驅動器是最合適的，電阻會用于限制其電流。交換式電源亦會經(jīng)常使用，因為它們更高效。
通常，電流感應電阻為電流調節(jié)控制器提供了回饋，以監(jiān)控供應予HB LED的電流。另一個可選的解決方案就是使用聚合物正溫度係數(shù)(PPTC)元件來限制流過LED的電流。
如圖1所示，一個PPTC元件是一個電路中的一系列要素之一。通常PPTC元件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會對正常的電路效能造成影響。然而，一旦過流的情況發(fā)生，該元件會增加電阻(跳閘)，并且將電路中的電流降低到一個任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發(fā)熱塬理帶來的元件溫度迅速升高的引起。
圖1：用于HB LED照明的電流保護設計。
元件會一直保持其跳閘或者閉鎖狀態(tài)直到故障排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC元件會復位并允許電流重新開始流動，使電路恢復正常工作。當PPTC元件不能夠阻止故障的發(fā)生時，它們會迅速作出反應，將電流限制到安全的等級以防止對下游元件隨之而來的損壞。此外，它們的小型化外形使得它們易于在空間受限的應用中使用。
與傳統(tǒng)照明不同，由于HB LED極具熱敏感，其熱管理是一個重要的設計考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命， PN接面不能允許導通溫度的提高。由于PPTC元件採用的是熱啟動，因此元件周圍溫度的任何變化都會影響其效能。隨著元件周圍的溫度增加，更少的能量就要求元件跳閘，因此其能夠使鉗住電流值并使其降低。
PPTC元件的工作塬理
PPTC電路保護元件採用半晶體狀聚合物與導電性顆粒復合製成。在正常溫度下，這些導電性顆粒在聚合物內構成了低電阻的網(wǎng)路結構。但是，如果溫度上升到元件的切換溫度(Tsw)時，無論這種狀況是大電流造成的，還是由于環(huán)境溫度的上升造成的，聚合物內的晶體物質將會融化并成為無定形物質。在晶體相融化階段出現(xiàn)的體積增大會導致導電性顆粒在液力作用下分隔，并使元件的電阻值出現(xiàn)巨大的非線性成長。
典型情況下，電阻值將增加3個或者更多的數(shù)量級。電阻值增加后能夠將故障條件下流經(jīng)的電流數(shù)量降低到較低的穩(wěn)態(tài)水準，從而保護電路內的設備。在故障排除以及電路電源斷開以前，PPTC元件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài);而在導電性復合材料冷卻下來并重新結晶后，PPTC元件將重新恢復低阻值狀態(tài)。
在正常工作情況下，PPTC元件產(chǎn)生的或者散失的熱量處于一個相對低溫的平衡狀態(tài)，如圖2中的1點所示。當環(huán)境溫度不變而流過元件的電流增加時，元件所產(chǎn)生的熱量也會隨之增加。如果增加的電流是微不足道的其所產(chǎn)生的熱量能夠散失到環(huán)境中，元件會穩(wěn)定在一個較高的溫度，如圖3中的2點所示。
圖2：PPTC元件保護電路為回應過流或者過溫情況，從低電阻狀態(tài)轉到高電阻狀態(tài)。
圖3：PPTC元件的典型工作曲線。
相反的，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，元件會穩(wěn)定在一個較高的溫度，可能再次到達如塬理圖中的第2點。第2點也可能為電流和溫度增加共同作用下的結果。隨著電流、溫度或者兩者結合的進一步增加，將會引起元件升溫并達到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3點所示，這就是所謂的曲線低端拐點。任何進一步的電流或者環(huán)境溫度增加將導致元件產(chǎn)生熱量的速度比其向環(huán)境中散失熱量的速度更快，使其溫度迅速的升高。
在這個階段中，隨著非常小的溫度變化將產(chǎn)生一個非常大的電阻值升高，如圖中第3點與第4點之間所示。這是處于PPTC元件跳閘時的一個正常的工作區(qū)域。電阻增大導致電路中流經(jīng)的電流相應的減少。
因為第3點和第4點之間的溫度變化之間是很微小，這種關係將一直保持直到元件達到曲線上第4點的上拐點。只要外部施加的電源電壓保持在這個電平，則元件會一直閉鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開、電源迴圈啟動后，PPTC元件將重定到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復到正常工作狀態(tài)。
圖4說明了PPTC跳閘前后保護HB LED照明系統(tǒng)的電路。此圖表明瞭在跳閘后電流是如何被降低，從而保護電路免受過流、過溫情況所造成的損壞。
圖4：PPTC元件跳閘前后的電路狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
符合第二類(Class 2)電源安全標準
在一個照明系統(tǒng)中採用第二類電源可成為降低成本、提高彈性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源，如變壓器、電源供應器或電池等，可能包含保護元件，只要它們不依賴于第二類電源的輸出限制即可。
非自有限制型電源，按照其定義，具有一個分立在外的保護元件，當電流和能量輸出達到預定值時它會自動中斷輸出。
各種各樣的電路保護元件都能對用于LED照明應用的第二類電源源提供保護。圖5說明了一種協(xié)同保護策略的工作塬理，它在交流輸入上採用了一個MOV，并在輸出電路分支上採用了一個PolySwitch PPTC元件，可以?明廠商滿足UL1310規(guī)範第35.1小節(jié)針對開關和控制裝置的超載試驗要求。
圖5、第二類電源的協(xié)同保護塬理圖
本文小結
自復式PPTC元件在多樣化的HB LED照明系統(tǒng)應用中已經(jīng)展現(xiàn)出了有效性。與傳統(tǒng)的保險絲一樣，它們在超出額定值后可限制電流。然而又不同于傳統(tǒng)保險絲，PPTC元件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復位。由于其採用熱啟動，因此可以防止電路在過溫條件下所造成的損壞。這種獨特的功能可以?明設計師提高照明系統(tǒng)的可靠性和平均壽命，以及減少元件數(shù)量和降低設計復雜度。
與任何電路保護策略一樣，一個解決方案的有效性將取決于每個不同線路佈局、板型、特定元元件和具體應用的各種特殊設計考慮。TE電路保護部與OEM廠商一起選擇和實施最佳方法。
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