LED照明的保護(hù)電路性能分析

 LED熱管理對(duì)于正確的色彩再現(xiàn)和安全操作至關(guān)重要。雖然設(shè)計(jì)人員非常重視電源管理以控制過熱，但不要忽視過壓和過流保護(hù)。

隨著政府機(jī)構(gòu)，工業(yè)和消費(fèi)者尋求降低能源成本的方法，照明技術(shù)已成為人們關(guān)注的主要領(lǐng)域。近年來，發(fā)光二極管(LED)技術(shù)在價(jià)格，性能和可制造性方面取得了令人矚目的進(jìn)步，優(yōu)化LED運(yùn)行的進(jìn)一步改進(jìn)預(yù)計(jì)將推動(dòng)照明市場的指數(shù)增長。然而，盡管該技術(shù)越來越受歡迎，但LED制造商繼續(xù)努力解決這樣一個(gè)事實(shí)：如果沒有足夠的熱管理，熱量會(huì)降低LED的使用壽命并影響顏色輸出。此外，由于LED驅(qū)動(dòng)器是硅器件，它們可能會(huì)失敗。這意味著可能需要故障安全備份過流保護(hù)。

LED技術(shù)發(fā)展迅速，芯片設(shè)計(jì)和材料得到改進(jìn)，有助于開發(fā)更明亮，更持久的光源，可用于各種應(yīng)用。然而，LED燈具需要精確的電源和熱管理系統(tǒng)，因?yàn)樘峁┙oLED的大部分電能轉(zhuǎn)換為熱而不是光。

可復(fù)位的聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件已經(jīng)證明了它們?cè)诟鞣NLED照明應(yīng)用中的有效性。與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲一樣，它們?cè)诔^規(guī)定限值后限制電流。但是，與保險(xiǎn)絲不同，PPTC設(shè)備能夠在故障清除和電源循環(huán)后復(fù)位。

各種過壓保護(hù)器件，包括金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，靜電放電(ESD)浪涌保護(hù)器件和聚合物增強(qiáng)型齊納二極管，可與PPTC器件協(xié)調(diào)使用，有助于提高LED性能和可靠性。

熱傳導(dǎo)比較

使用60 W白熾燈泡的照明燈具可產(chǎn)生約900流明的光，并且必須通過傳導(dǎo)消耗3 W的熱量。相比之下，使用典型的DC-LED作為光源來實(shí)現(xiàn)相同的900流明將需要大約12個(gè)LED。假設(shè)VF(正向電壓)為3.2 V，電流為350 mA，LED燈具的輸入功率可以計(jì)算為：

功率= 12 x 3.2 V x 350 mA = 13.4 W

在這種情況下，大約20%的輸入功率轉(zhuǎn)換為光，80%轉(zhuǎn)換為熱量;取決于與襯底不規(guī)則性有關(guān)的各種因素和發(fā)熱，以及聲子發(fā)射，結(jié)合，使用的材料等。在LED產(chǎn)生的總熱量中，90%通過傳導(dǎo)傳遞。圖1顯示，為了從LED的結(jié)點(diǎn)散熱，傳導(dǎo)是轉(zhuǎn)移的主要通道，因?yàn)閷?duì)流和輻射僅占總傳熱的約10%。例如，LED可以轉(zhuǎn)換接近10.72 W的熱量(13.4 W x 0.80)。其中，通過傳導(dǎo)將9.648W(10.72W×0.90)的熱量從結(jié)轉(zhuǎn)移或除去。

圖1：各種光源的散熱比較。

結(jié)溫效應(yīng)

LED的光學(xué)特性隨溫度變化很大。隨著結(jié)溫升高，LED發(fā)出的光量減少，并且對(duì)于某些技術(shù)，發(fā)射的波長隨溫度而變化。如果沒有正確管理驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)溫，LED的效率會(huì)迅速下降，導(dǎo)致亮度降低和壽命縮短。

與結(jié)溫相關(guān)的另一個(gè)LED特性是LED的正向電壓(圖2)。如果僅使用簡單的偏置電阻來控制驅(qū)動(dòng)電流，則VF會(huì)隨著溫度上升而下降并且驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增加。這可能導(dǎo)致熱失控，特別是對(duì)于高功率LED，并導(dǎo)致組件發(fā)生故障。通常的做法是通過將LED安裝在金屬芯PCB上來控制結(jié)溫，以提供快速的熱傳遞。

圖2：結(jié)溫升高時(shí)的正向壓降。

電源線耦合瞬態(tài)和浪涌還可以縮短LED壽命，并且許多LED驅(qū)動(dòng)器易受直流電壓電平和極性不當(dāng)造成的損壞。 LED驅(qū)動(dòng)器輸出也可能因短路而損壞或損壞。大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器都包含內(nèi)置安全功能，包括熱關(guān)斷，以及開路和短路LED檢測。但是，可能需要額外的過流保護(hù)裝置來幫助保護(hù)集成電路(IC)和其他敏感電子元件。

LED驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出保護(hù)

LED采用恒定電流驅(qū)動(dòng)，正向電壓從低于2 V變化到4.5 V，具體取決于顏色和電流。較舊的設(shè)計(jì)依賴于簡單的電阻來限制LED驅(qū)動(dòng)電流，但是根據(jù)制造商規(guī)定的典型正向壓降設(shè)計(jì)LED電路會(huì)導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)器過熱。

當(dāng)LED上的正向壓降降低到明顯低于典型值時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過熱。在這種情況下，LED驅(qū)動(dòng)器兩端的電壓增加會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器封裝的總功耗增加。

今天，大多數(shù)LED應(yīng)用利用電源轉(zhuǎn)換和控制設(shè)備與各種電源(即AC線，太陽能電池板或電池電源)連接，以控制LED驅(qū)動(dòng)器的功耗。使用可復(fù)位的PPTC設(shè)備可以保護(hù)這些接口免受過流和過熱損壞。

PPTC器件在正常工作電流下具有低電阻值。在過流情況下，器件“跳閘”進(jìn)入高阻狀態(tài)。這種增加的電阻有助于通過將在故障狀態(tài)下可以流動(dòng)的電流量減少到低的穩(wěn)態(tài)水平來保護(hù)電路中的設(shè)備。設(shè)備保持在鎖定位置，直到故障被清除。一旦電路的電源循環(huán)，PPTC器件就會(huì)復(fù)位并允許電流恢復(fù)，從而使電路恢復(fù)正常工作。

圖3顯示了開關(guān)模式電源(SMPS)和LED驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出的協(xié)調(diào)保護(hù)方案。如圖的左側(cè)所示，PPTC器件(如可復(fù)位的PolySwitch™器件)可與電源輸入串聯(lián)安裝，以幫助防止因電氣短路，電路過載或客戶誤操作而造成的損壞。此外，放置在輸入端的MOV有助于在LED模塊中提供過壓保護(hù)。

PPTC設(shè)備也可以放在MOV之后。許多設(shè)備制造商更喜歡將可復(fù)位PPTC設(shè)備與上游故障安全保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)電路。在該示例中，R1是與保護(hù)電路結(jié)合使用的鎮(zhèn)流電阻器。

LED驅(qū)動(dòng)器可能容易因直流電壓水平和極性不當(dāng)而損壞。輸出也可能因無意的短路而損壞或破壞。有源端口也容易受到包括ESD脈沖在內(nèi)的過壓瞬態(tài)損壞的影響。

圖3的右側(cè)顯示了LED驅(qū)動(dòng)器和燈泡陣列的協(xié)調(diào)電路保護(hù)設(shè)計(jì)。放置在驅(qū)動(dòng)器輸入端的PolyZen器件為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡單性，同時(shí)避免了大量散熱的需要。該器件由TE Circuit Protection開發(fā)，采用獨(dú)特的聚合物保護(hù)精密齊納設(shè)計(jì)，可在單個(gè)緊湊型封裝中提供瞬態(tài)抑制，反向偏置保護(hù)和過流保護(hù)。

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器輸出上的PolySwitch PPTC器件可以幫助防止意外短路或其他負(fù)載異常造成的損壞。為了充分利用PolySwitch器件，它可以熱粘合到金屬核心電路板或LED散熱器上。為了防止ESD事件造成的損壞，TE Circuit Protection的低電容，小型PESD器件等保護(hù)器件可以與LED并聯(lián)放置。

圖3：使用PolySwitch PPTC器件和用于SMPS的MOV器件(左)以及用于LED驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出的PolyZen，PolySwitch和PESD器件的協(xié)調(diào)保護(hù)方案(右)。

交流電源LED照明保護(hù)

MOV通常用于交流線電壓應(yīng)用中的瞬態(tài)過電壓抑制。在正常工作條件下，施加到MOV的交流線路電壓預(yù)計(jì)不會(huì)超過設(shè)備的最大交流均壓(VAC RMS)額定值，并且，如果瞬態(tài)能量不超過MOV的最大額定值，則短時(shí)瞬態(tài)事件是鉗位到合適的電壓水平。然而，持續(xù)的異常過電壓/限制電流條件(例如中性線損失)可能導(dǎo)致MOV進(jìn)入熱失控狀態(tài)。

新型熱增強(qiáng)型MOV有助于保護(hù)各種低功率系統(tǒng)免受過流，過熱和過壓故障造成的損壞，包括雷擊，ESD浪涌，中性線損失，輸入電壓誤差和電源感應(yīng)。圖4顯示了TE Circuit Protection的2Pro器件如何幫助為AC電源LED照明系統(tǒng)提供這種集成保護(hù)。

圖4：典型照明應(yīng)用使用AC 2Pro設(shè)備進(jìn)行低功率AC/DC反激式轉(zhuǎn)換器保護(hù)。

2Pro設(shè)備將PPTC技術(shù)與MOV組件結(jié)合到一個(gè)受熱保護(hù)的設(shè)備中，以便在發(fā)生過流或過壓事件時(shí)提供可重置性。該集成器件方法旨在幫助制造商滿足行業(yè)要求，例如IEC61000-4-5和IEC60950。