詳解LED過流過壓干擾的主要原因及防護措施

 隨著社會的發(fā)展和大家對節(jié)能環(huán)保的意識不斷提高，LED燈具的市場前景將是一片光輝，不斷進步的LED照明市場需要性能良好的硬件設(shè)備(燈具)，正確的硬件設(shè)計是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。前期在硬件設(shè)備設(shè)計時充分考慮各種干擾因素的影響會使燈具質(zhì)量得到很大的保證，對硬件設(shè)備進行適當(dāng)?shù)倪^壓過流沖擊防護設(shè)計能夠大幅度地提高它的的使用壽命，減小維修成本，更好的滿足人們的需求。

LED元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關(guān)，因為任何一次過壓過流干擾都可能導(dǎo)致LED損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效，也可能在發(fā)生過壓過流干擾后許久才失效。LED芯片的小型化和LED燈具內(nèi)部電器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化正在使這一問題變得更加嚴重。

一、LED的過壓過流故障現(xiàn)象

當(dāng)出現(xiàn)過壓過流干擾時，元件性能會減弱或損壞。LED元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關(guān)，因為任何一次過壓過流干擾都可能導(dǎo)致LED損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效，也可能在發(fā)生過壓過流干擾后許久才失效。LED芯片的小型化和LED燈具內(nèi)部電器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化正在使這一問題變得更加嚴重。燈具內(nèi)LED芯片的過壓過流故障主要有以下兩種現(xiàn)象：

a、芯片內(nèi)部焊接線損壞

過壓過流干擾導(dǎo)致的第一種失效模式是LED封裝內(nèi)部的焊接線受損。這種損壞通常表現(xiàn)為接線燒斷。此外，過壓過流干擾還能導(dǎo)致靠近焊接線的其他材料(例如密封材料或熒光體)損壞。

b、芯片焊盤位置損壞

過壓過流干擾導(dǎo)致的另一種失效模式是LED芯片本體靠近焊盤的位置受損。

二、LED發(fā)生過壓過流干擾的主要原因

LED芯片發(fā)生過壓過流干擾的原因有多種，如浪涌、靜電，來自其他設(shè)備的脈沖信號干擾、燈具組裝時不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣椒?、接地點不夠?qū)е码娏骺焖俎D(zhuǎn)換引起高電壓等情況都會引起過壓過流干擾。但以下兩種情況是LED燈具生產(chǎn)與使用過程中造成過壓過流干擾的主要原因。

a、靜電放電ESD

靜電放電是大多數(shù)電子元件在生產(chǎn)、運輸、加工過程中不可避免的風(fēng)險。雖然目前大多數(shù)的LED芯片自身已經(jīng)具有防靜電干擾的設(shè)計一般為2kV，但靜電放電依舊是LED芯片在燈具生產(chǎn)環(huán)節(jié)損壞的主要原因。

b、短時間的過負荷

短時間的過負荷即短時間內(nèi)LED的輸入電壓或電流超過其額定值如浪涌電壓或雷擊。過負荷一般只持續(xù)極短的時間通常不會超過500ms類似的電壓或電流稱為尖峰電壓或尖峰電流。短時間的過負荷是LED芯片在燈具正常使用過程中損壞的主要原因。

三、LED過壓過流干擾的防護方法

1、防止靜電放電損壞LED的方法

靜電放電是LED芯片的隱形殺手。LED燈具生產(chǎn)過程中每個階段的每個步驟都可能使LED受到靜電的損傷。靜電防護就是消除靜電或把靜電電壓控制在允許的范圍內(nèi)使它不致產(chǎn)生危害。生產(chǎn)過程中靜電防護的主要措施為：

a、保證車間生產(chǎn)人員及生產(chǎn)設(shè)備的靜電防護。(屏蔽與接地)

b、盡可能的使生產(chǎn)車間和周圍環(huán)境達到防靜電要求。(中和、增濕、屏蔽與接地)

c、采用靜電保護器(ESD)對各接口芯線對地做靜電防護。(靜電泄露、耗散)

依照上述防靜電措施進行操作，將靜電防護工作當(dāng)作一項長期的系統(tǒng)工程，防止任何環(huán)節(jié)的失誤或疏漏，加上LED芯片有一定的防靜電干擾功能，則在生產(chǎn)過程中可以有效地防止靜電放電對LED的損傷。

2、防止LED芯片短時間過負荷的方法

防護瞬間過電壓或過電流等LED短時間過負荷現(xiàn)象常用的器件有瞬態(tài)抑制二極管TVS，熱敏電阻MOV，浪涌靜電硅抑制器SET等。目前LED燈具防過負荷設(shè)計方案分為兩種：第一種為保險絲、壓敏電阻MOV、瞬態(tài)抑制二極管TVS組合形成的電源輸入端保護電路，一般用在LED燈具電控系統(tǒng)的輸入端口防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾原因造成的LED故障。第二種為瞬態(tài)抑制二極管TVS、負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)過負荷保護電路，一般串聯(lián)在LED芯片組成的照明電路中，防止LED燈具通電開啟瞬間造成的LED損傷。以下對這兩種方法分別予以討論。

2.1、防止電源瞬間浪涌干擾造成LED損傷的的保護方案

方案中主要用到壓敏電阻MOV及瞬態(tài)抑制二極管TVS做過壓防護，壓敏電阻是一種具有電壓電流對稱特性的電壓屬性電阻器，它主要用來保護電子元件免受尖峰電壓或尖峰電流的影響。壓敏電阻在常態(tài)時對受保護的電子元件具有很高的阻抗，而且不會改變電路特性，但當(dāng)瞬間尖峰電壓出現(xiàn)越過壓敏電阻的擊穿電壓時，該壓敏電阻的阻抗會變低(僅有幾歐姆)，并造成原線路短路，從而對電子產(chǎn)品或元件進行保護。將壓敏電阻接入LED燈具電源輸入端，可防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾造成的LED故障。正常運行時一旦電網(wǎng)電壓升高，壓敏電阻會瞬間擊穿短路，對過壓能量進行吸收和泄放，從而有效的防止過電壓進入受保護線路。方案中用到2個保險絲Fuse1和Fuse2，其中Fuse1在壓敏電阻的前端，用來防止壓敏電阻失效而短路，但也要通過雷擊大電流。因此，通常選用慢融性保險絲，其不承擔(dān)過載短路的作用;而Fuse2是用來防止過載，選用快熔性保險絲，不承擔(dān)浪涌電流，可以根據(jù)負載額定電流選擇合適的保險絲。后端為瞬態(tài)抑制二極管TVS是對前級壓敏電阻的殘余能量進行進一步的吸收和泄放。更好的保護后端負載。

2.2、防止通電瞬間損傷LED的保護方案

在LED燈具剛剛通電時會產(chǎn)生一種常見的瞬間過電流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為浪涌電流?？梢圆捎迷跓艟邇?nèi)部電路使用NTC電阻器的方法實現(xiàn)LED燈具的浪涌電流保護。具體而言，就是在燈具剛剛通電時NTC器件提供一個高電阻值來保護LED免受浪涌電流的損壞，在過渡時間之后NTC電阻器的電阻會降低到可忽略不計的數(shù)值。方案中的瞬態(tài)抑制二極管TVS對瞬間的浪涌能量提供一條通路，保護后端LED燈珠不受影響。

2.3、防止LED燈珠開路(電源極性反接保護)的保護方案

當(dāng)LED輸入端有高壓脈沖時會導(dǎo)致后端芯片及LED燈損壞，而瞬態(tài)抑制二極管TVS可以對高壓脈沖進行吸收和箝端電路可承受的范圍內(nèi)，從而消除了由輸入端帶來的干擾。O.C.P為半導(dǎo)體過壓型保護器件，當(dāng)燈珠兩端有靜電和過電壓時可瞬間吸收和箝位，把電壓降低，并且當(dāng)LED開路損壞時，電流無法流過損壞的LED燈珠，此時電源的電壓全部加在O.C.P上，很快O.C.P兩端的電壓就達到了它的開關(guān)電壓，O.C.P開始工作，隨后將電壓降低到1V左右，電流從O.C.P流過也經(jīng)過了其它的LED燈珠，其它的燈珠又亮了起來。當(dāng)LED燈串被反向通上電源時，所有保護器O.C.P都會開始導(dǎo)通，將這些被保護的LED上的電流分流以保護它們不受傷害。在反向電極糾正之后，保護器會關(guān)閉，LED正常工作。