你的位置:首頁 > 電路保護 > 正文

工程師詳解:如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計

發(fā)布時間:2013-12-19 責任編輯:eliane

【導讀】LED極易受到ESD、機械沖擊、雷電等的威脅,尤其對于LED串而言,如果其中一個LED出現(xiàn)故障,將會嚴重影響其他LED的使用,因此,為保證整個LED組件長期可靠地運行,我們來看看該如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計?

發(fā)光二極管(LED)是一種易碎的裝置,容易受到熱、機械沖擊、靜電放電及閃電的威脅,特別是在室外應用時。由于照明及背光顯示的LED燈串使用的增加,需要研發(fā)工程師對LED串的可靠性給予更多關(guān)注。高亮度的LED,因其藍寶石基板,對鄰近的雷擊閃電攻擊造成的電壓瞬變非常敏感。即使是在家庭應用,LED串仍需要靜電放電(ESD)保護裝置,以確保整個組件長期、可靠的運行。在缺少這種保護的條件下,如果串聯(lián)中的一個LED出現(xiàn)故障,并斷開電路,所有其他的LED燈將關(guān)閉。

LED照明系統(tǒng)保護

很多的保護裝置可以用于電源與LED驅(qū)動,且有許多出版物可以對選擇提供指導。圖1中的電路是演示LED路燈照明系統(tǒng)中的開關(guān)電源保護的舉例。在該電路中,交流電熔斷器提供了基本的防火保護,以應對可能造成過流條件的主要系統(tǒng)故障,但是必須能夠容忍3KA至6KA以上的浪涌,而不出現(xiàn)斷路。在下游組件出現(xiàn)故障的情況下,直流熔斷器可用于直流-直流轉(zhuǎn)換器或LED驅(qū)動電路中的快速過流保護。

工程師詳解:如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計
圖1:LED街道照明電路舉例,包括與開關(guān)電源(SMPS)相關(guān)的保護裝置

在電路的交流電輸入側(cè),還需要處理過壓事件與電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊造成的,但也可能通過電力線上的瞬間狀態(tài)變化產(chǎn)生。用于過壓條件的典型保護裝置是金屬氧化物壓敏電阻(MOV),可以與瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)相結(jié)合。用于電源保護的電路還需要與地面隔離,防止可能的電擊危險(這些規(guī)格都包含在IEC/UL60950-1,UL1449與IEC/UL6500)。圖2顯示了達到這些要求的解決方案。該設(shè)計結(jié)合了含有瞬態(tài)電壓抑制器的金屬氧化物壓敏電阻。
[page]
工程師詳解:如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計
圖2:用于LED照明的電源輸入過壓保護方案舉例 

此外,也應考慮把過壓保護用于LED驅(qū)動芯片。適當?shù)娜ヱ铍娙萜鳎B同為線路驅(qū)動器額定電源電壓的TVS裝置,將提供一個非常穩(wěn)定的設(shè)計。一些LED驅(qū)動器制造商把感知開路LED串的電路列入,但該電路不應與保護串的電路相混淆,或如果LED出現(xiàn)故障,要保持LED串處于運行狀態(tài)。

單個LED保護

LED串內(nèi)部(圖3)的旁路保護裝置,可以使該串在單個LED出現(xiàn)故障斷開時,繼續(xù)運行。通過限制整個LED串上的任何過剩電流或電壓,有助于保護LED驅(qū)動器。

工程師詳解:如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計
圖3:LED串內(nèi)部的旁路保護裝置

使用適當旁路保護裝置保護LED串中的單個LED,不僅能夠保持LED串仍舊能夠照明,而且也有助于保護LED驅(qū)動器免受過電流與過電壓(可能因LED故障造成)。
[page]
當提到保護單個LED時,在LED串內(nèi)部需要安裝串聯(lián)電路的支路,選擇正確的保護裝置是至關(guān)重要的。這要求理解潛在的LED故障機理及不同類型保護裝置的工作原理。這種理解有助于電路設(shè)計者選擇合適的裝置,包括有一個LED因斷路原因出現(xiàn)故障時,能夠保持系列LED串仍舊運行的裝置。

LED控制與故障模式:

串聯(lián)的LED串由恒定電流驅(qū)動,該恒定電流由把串聯(lián)LED串驅(qū)動為充分亮度、顏色與強度的開關(guān)電源產(chǎn)生。該恒流電流源提供了對LED組亮度的更好控制以及更均勻的LED組亮度。LED是一種易碎的固態(tài)器件,本質(zhì)上是二極管,構(gòu)造為P-N結(jié),在正向偏壓時,能夠發(fā)光。主要的LED失效機理本質(zhì)上是機械與熱力,包括熱循環(huán)、熱沖擊及在高溫下(可能造成絲焊老化與故障)運行的LED。由于金屬會發(fā)生氧化,且隨著時間推移會變脆,LED發(fā)生故障的可能性會增加。ESD事件或附近雷擊造成的電涌是LED發(fā)生故障的另一個常見原因。

保護裝置選擇的電路參數(shù):

選擇LED保護裝置中的主要參數(shù)是單個LED額定電流與額定功率,正向工作電壓及LED驅(qū)動器恒流輸出電壓。典型高亮度LED額定功率在1瓦特與3瓦特之間。額定功率上的高亮度LED最大電流消耗可以通過以下公式簡單確定:
工程師詳解:如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護設(shè)計

其中I是電流,P是LED額定功率,VF是LED正向電壓。LED在不同的額定功率范圍內(nèi)都可供使用,因此這些值相應地有所不同。同時,發(fā)射不同波長(顏色)的LED有不同的電壓降。例如,與白色LED相比,紅色LED通常有更低的VF,會消耗更多電流。主要的可靠性問題是,如果一個高亮度LED出現(xiàn)故障,形成開路,高亮度LED串如何連續(xù)操作。在需要高可靠性光源的應用中,這個問題是至關(guān)重要的。

許多戶外應用位于離開地面的位置,因此,一個小的事故就會變成一個大的問題。串聯(lián)中,單個高亮度LED開路故障可能導致重大費用與不便,原因是必須對整個裝配進行維修。

潛在的LED旁路保護裝置分析

為了保護單個高亮度LED,并防止整個高亮度LED串聯(lián)串在單個高亮度LED出現(xiàn)故障時熄滅,在高亮度LED終端必須安裝旁路保護裝置。有許多裝置可以考慮,包括壓敏電阻、可控硅整流器、穩(wěn)壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開路保護器。
[page]
壓敏電阻:

這些裝置最適合于相對高能的電源線路瞬變,特別是雷擊及大型電感負荷轉(zhuǎn)換造成的瞬變。很遺憾,這些裝置不能作出快速反應,無法保護LED免受低級別瞬變(可能造成LED故障)的危害。除該缺點外,如果LED出現(xiàn)故障形成開路,壓敏電阻不能為電流提供路徑,因此整個LED串將關(guān)閉。壓敏電阻產(chǎn)生的熱對發(fā)光二極管也可能是一個問題。

可控硅整流器:

在出現(xiàn)故障的發(fā)光二極管附近,可控硅整流器可按路徑發(fā)送電流,以保持LED串的其余部分發(fā)光。但是,這些裝置是一些大型裝置,它們通常需要電阻式分壓,以設(shè)置觸發(fā)電壓。不同溫度上,可控硅整流器觸發(fā)電壓的變化可能會非常大。此外,反向阻斷電壓太高,因此,可控硅整流器不能提供反極性保護。

穩(wěn)壓二極管:

盡管穩(wěn)壓二極管通常比可控硅整流器小得多,但仍舊存在其他問題。當一個LED出現(xiàn)故障形成開路時,穩(wěn)壓二極管必須引導串聯(lián)燈串中的所有電流。大部分穩(wěn)壓二極管有相對較低的電流額定值,因此它們的壽命在該種類型的應用中比較短。穩(wěn)壓二極管也會引起微環(huán)境熱事件,該事件可能會導致進一步的LED故障。

高分子聚合物ESD保護器:

通常這些設(shè)備是專用于高速數(shù)字電路,不是用于直流線路的保護,與LED串的情況一樣。與硅裝置相比,它們有較高的動態(tài)電阻,因此它們的鉗位電壓太高,不能保護易碎的LED。此外,它們不能提供過載保護,也不能提供反極性保護。

LED開路保護器:

這些裝置是特別設(shè)計用于保持串聯(lián)LED燈串的其余部分,在一個LED出現(xiàn)故障時,仍能夠正常運轉(zhuǎn)。它們是緊湊的硅基裝置,安裝在每個LED終端。作為旁路裝置,它們能夠在開路LED周圍,按路徑發(fā)送電流,保持LED串的其余部分仍能夠照明。一些LED開路保護器還提供靜電放電/照明及反極性保護,這樣可以減少照明電路成本,消除對附加保護組件的需求。

LED開路保護器運作

LED開路保護器是安裝在LED上內(nèi)部觸發(fā)的兩個終端裝置,如果LED自身修復或被更換,它會自動重置。這種保護器是電壓觸發(fā)開關(guān),漏電量低,與微安開關(guān)相似,當它被觸發(fā)時(圖3),就變成低阻抗的微安開關(guān),可最大限度地減少功率消耗。通路狀態(tài)的LED下降約0.7V,這并不足以打開保護器裝置。一旦有一個LED出現(xiàn)故障形成開路,有足夠的電路電壓來觸發(fā)保護器至通路狀態(tài)(恒流輸出電壓由LED驅(qū)動電路提供)。圖3中描述的PLED6系列也是以內(nèi)置抗浪涌為特征的,有助于保護LED免受附近雷擊或靜電放電事件引發(fā)的浪涌。
[page]
LED串內(nèi)部(圖3)的旁路保護裝置
圖4:典型的LED開路保護器V-I特征

拿LittelfusePLED6系列裝置作為典型LED開路保護器為例,圖4顯示了關(guān)鍵的參數(shù)為VBR,IS,IH,IT與VT。如V-I曲線所示,VBR定義了該裝置的斷開電壓額定值至擊穿電壓額定值之間的區(qū)域。在斷開狀態(tài)下,VBR是可以應用于該裝置的直流與交流電壓的連續(xù)峰值組合,這導致了通過該裝置的電流小于5μA(從6至33VDC的各類最低VBR額定值都是可行的)。IS是電流值,當應用最低VBR時,它可導致裝置從斷開狀態(tài)切換到通路狀態(tài)。通常,IS最大值為100mA。吸持電流(IH)是維持裝置處于通路狀態(tài)時的最低電流需求(通常為5mA)。通路狀態(tài)電壓(VT)是全傳導期間穿過裝置的最大電壓。IT是在通路狀態(tài)下,兩秒內(nèi)可以通過裝置的最大電流額定值(最大值為1A)。通常,LED串電流要遠低于該值,這樣可使得LED開路保護器繼續(xù)保持下去。

理想情況下,在LED開路保護方案中,每個LED都有一個保護裝置。但是,“預算”保護方案可能發(fā)揮作用。例如,當選擇適當?shù)腖ED開路裝置時,可以在串聯(lián)中的兩個LED上安裝一個PLED。一個LED故障會導致兩個LED變暗,但這削減了一半的保護成本。

結(jié)論

照明設(shè)備制造商正在向生產(chǎn)LED進行轉(zhuǎn)型,因為LED設(shè)備成本低,性能高,維護少,并且它們的壽命可持續(xù)數(shù)萬小時。但是,它們?nèi)匀恍枰漓o電保護,尤其是在高可靠性應用方面,例如,在惡劣環(huán)境中布署的安全關(guān)鍵照明設(shè)備。事實上,與傳統(tǒng)照明設(shè)備相比,戶外LED照明設(shè)備具有不可靠性,除非設(shè)計師增加了適當?shù)碾娐繁Wo,以防止最嚴重的過壓情況出現(xiàn)。

第一道防線是良好的電路保護方案,把輸入電源延伸至各個LED。LED開路保護裝置可以應對重大的超電壓瞬變,當一個LED發(fā)生故障形成開路時,保持串聯(lián)的其他LED仍舊可以照明。盡管這樣的保護是有益的,但它仍然只是總保護方案的一部分,總保護方案應包括保護開關(guān)式電源與LED驅(qū)動器的熔斷器、MOV與TVS裝置。

相關(guān)閱讀:
工程師必看!LED照明電源設(shè)計四大難題解析
http://bswap.cn/opto-art/80021571

LED照明方案詳解:針對不同LED照明應用方案匯總
http://bswap.cn/opto-art/80021735

擊敗傳統(tǒng)照明的關(guān)鍵:智能化LED照明設(shè)計
http://bswap.cn/opto-art/80021727
要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉