LED燈具損壞的原因

LED燈具失效一是來源于電源和驅動的失效，二是來源于LED器件本身的失效。通常LED電源和驅動的損壞來自于輸入電源的過電沖擊(EOS)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅動電路中驅動芯片的損壞，以及電容等被動元件發生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動電路的過電流驅動，驅動電路有可能發生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞。LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。

1.瞬態過流事件

瞬態過流事件是指流過LED的電流超過該LED技術數據手冊中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產生也可能是由高電壓間接產生，如瞬態雷擊、開關電源的瞬態開關噪聲、電網波動等過壓事件引起的過流。這些事件都是瞬態的，持續時間極短，通常我們將其稱為尖峰，如“電流尖峰”、“電壓尖峰”。造成瞬態過流事件的情況還包括LED接通電源，或是帶電插拔時的瞬態過電流。

對于汽車中的LED照明，ISO7637-2的瞬態拋負載浪涌沖擊則是其正常工作的一個重要威脅。

LED遭受過電沖擊后的失效模式并非固定，但通常會導致焊接線損壞，如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬態過電流引起。除了導致焊接線燒斷外，還可能導致靠近焊接線的其他部分損壞，例如密封材料。

圖1：LED焊接線燒斷損壞。

2.靜電放電事件

靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導體器件制造、運輸和應用中最為常見的一種瞬態過壓危害，而LED照明系統則須滿足IEC61000-4-2標準的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電，以防止系統在靜電放電時有可能導致的過電沖擊失效。

LED PN結陣列性能將出現降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導致的LED芯片的內部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴重的話也會導致LED永久損壞。

圖2：LED部分PN結損壞。

對于接近80%能量都轉化為熱量的LED照明設計而言，熱管理和故障過熱保護是其面臨的一個挑戰。理論和實踐都已經證明，LED的性能和壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關。當LED芯片內結溫升高10℃，光通量就會衰減1%，LED的壽命就會減少50%。

電源及驅動電路的保護

由于LED電源和驅動電路容易遭受過電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅動電路設計中要充分考慮各種故障狀態的保護措施，以提高電路的可靠性，從而降低返修率。泰科電子的LVR系列PTC可以實現交流電源的過流和短路保護，ROV用于過電沖擊和浪涌保護。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過壓過流綜合保護元件，LED燈串中的表面貼系列則是實現負載過流或斷路故障保護(圖3)。

圖3：LED燈具電源及驅動電路的保護設計。

PPTC在LED照明中的過流和過熱保護

雖然許多高端LED驅動器件逐漸集成了過流、過熱等保護功能，但在許多場合，特別是過熱保護方面，仍然需要分立元器件方案作為協同保護方案，以使燈具具有更高的可靠性和更長的壽命。

PPTC是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻，是由聚合物與導電粒子等構成，經過特殊加工后，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過(或元件處于正常環境溫度)時，PPTC呈低阻狀態。當電路中有異常過電流通過(或環境溫度升高)時，大電流(或環境溫度升高)所產生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導電粒子所構成的導電通路，PPTC呈高阻狀態。當電路中過電流(超溫狀態)排除后，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，PPTC又呈初始的低阻狀態。PPTC的體積小，成本低，可反復使用，實現了電路保護的自動啟動和自動恢復。

在LED照明中，根據燈具應用場合的不同有不同的過熱保護方式，通常分為兩種。一種方式是達到規定溫度立即啟動關斷保護(圖4)，此種保護通常應用于道路交通信號燈。另一種方式是到一定溫度啟動保護，進行降電流驅動(圖5)，此種保護通常應用于室內照明和道路照明。

圖4：泰科LVR系列產品用于交流LED照明系統的過流、過溫關斷保護。

圖5：泰科LVR系列產品用于交流LED照明系統的過流、過溫降電流保護。

泰科電子針對LED照明應用開發了一款PolySwitch產品。該產品在環境溫度65℃下可以保證350mA電流正常通過，可在環境溫度超過85℃時進行保護，通過合理設計、配置，可以分別以關斷或調暗的方式對LED燈具進行保護。

串并聯相結合的巨型陣列照明或景觀燈的過流和過熱保護在成本與保護方案的相互平衡中，通常有兩種保護方案可以采用。一是分路保護(圖6)：對多串的LED系統，可以在每隔支路上串聯一顆PPTC分別進行保護。這種方式的好處是可以實現精確保護，不會因為某一支路的故障而導致整個燈具的不工作，保護的可靠性好。二是主干路保護(圖7)：這種保護就是在燈具的主回路上串聯一顆PPTC，對整個燈具進行保護。這種方式的好處是成本低，占板面積小。

圖6：LED陣列分路保護方案

圖7：LED陣列主干路保護方案。

此外，PPTC可以作為溫度傳感器與LED驅動器配合使用，實現LED陣列照明的過熱保護(圖8)，在大型陣列照明中，由于LED燈串眾多且結構較為復雜，在實際應用中容易出現過熱故障的位置，往往并不固定于某個特定的位置，因此單顆過熱檢測器件很難提供完善的過熱保護。PPTC在正常工作下的低電阻以及正溫度系數特性，可以方便地將數顆PPTC串聯于熱保護檢測電路，實現多點過熱監控。將多個PPTC串聯、并安裝于可能出現過熱的部位。由于PPTC的低電阻，THRM引腳電平為0，電源電路正常工作。當燈具某處或多處發生過溫故障時，THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱，電阻急劇上升，THRM引腳電平變為高電平，從而啟動LED驅動器設計的過熱保護方案，實現過熱關斷或過熱折減驅動。這種解決方案對LED面光源的過熱保護而言經濟有效。泰科電子可以為客戶提供相關的設計及驗證服務。

圖8：PPTC多熱點過熱保護方案的實現。

本文小結

PPTC由于其本身的諸多特點，非常適合于LED照明系統的過流和過熱保護，在設計中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實現最好的熱傳導，使PPTC保護更加及時、有效。此外，PPTC產品的封裝形式多樣，能根據客戶要求定制封裝，靈活性很強。但過熱保護沒有標準解決方案，具體設計必須結合實際燈具，并進行充分驗證。泰科電子愿意與業內工程師一起，根據實際情況研究解決方案，降低LED照明系統的故障率和維護成本。