【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化串聯LED照明電路保護設計？
發光二極管(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，需要研發工程師對LED串的可靠性給予更多關注。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，如果串聯中的一個LED出現故障，并斷開電路，所有其他的LED燈將關閉。
LED照明系統保護
很多的保護裝置可以用于電源與LED驅動，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路燈照明系統中的開關電源保護的舉例。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故障，但是必須能夠容忍3KA至6KA以上的浪涌，而不出現斷路。在下游組件出現故障的情況下，直流熔斷器可用于直流-直流轉換器或LED驅動電路中的快速過流保護。
圖1：LED街道照明電路舉例，包括與開關電源(SMPS)相關的保護裝置
在電路的交流電輸入側，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變化產生。用于過壓條件的典型保護裝置是金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，可以與瞬態電壓抑制器(TVS)相結合。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。該設計結合了含有瞬態電壓抑制器的金屬氧化物壓敏電阻。 [page]
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驅動芯片。適當的去耦電容器，連同為線路驅動器額定電源電壓的TVS裝置，將提供一個非常穩定的設計。一些LED驅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出現故障，要保持LED串處于運行狀態。
單個LED保護
LED串內部(圖3)的旁路保護裝置，可以使該串在單個LED出現故障斷開時，繼續運行。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驅動器。
圖3：LED串內部的旁路保護裝置
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驅動器免受過電流與過電壓(可能因LED故障造成)。
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當提到保護單個LED時，在LED串內部需要安裝串聯電路的支路，選擇正確的保護裝置是至關重要的。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計者選擇合適的裝置，包括有一個LED因斷路原因出現故障時，能夠保持系列LED串仍舊運行的裝置。
LED控制與故障模式：
串聯的LED串由恒定電流驅動，該恒定電流由把串聯LED串驅動為充分亮度、顏色與強度的開關電源產生。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是一種易碎的固態器件，本質上是二極管，構造為P-N結，在正向偏壓時，能夠發光。主要的LED失效機理本質上是機械與熱力，包括熱循環、熱沖擊及在高溫下(可能造成絲焊老化與故障)運行的LED。由于金屬會發生氧化，且隨著時間推移會變脆，LED發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發生故障的另一個常見原因。
保護裝置選擇的電路參數：
選擇LED保護裝置中的主要參數是單個LED額定電流與額定功率，正向工作電壓及LED驅動器恒流輸出電壓。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：
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都可供使用，因此這些值相應地有所不同。同時，發射不同波長(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出現故障，形成開路，高亮度LED串如何連續操作。在需要高可靠性光源的應用中，這個問題是至關重要的。
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串聯串在單個高亮度LED出現故障時熄滅，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、穩壓二極管、聚合靜電放電保護器及LED開路保護器。
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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串將關閉。壓敏電阻產生的熱對發光二極管也可能是一個問題。
可控硅整流器：
在出現故障的發光二極管附近，可控硅整流器可按路徑發送電流，以保持LED串的其余部分發光。但是，這些裝置是一些大型裝置，它們通常需要電阻式分壓，以設置觸發電壓。不同溫度上，可控硅整流器觸發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。
穩壓二極管：
盡管穩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出現故障形成開路時，穩壓二極管必須引導串聯燈串中的所有電流。大部分穩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。穩壓二極管也會引起微環境熱事件，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：
通常這些設備是專用于高速數字電路，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：
這些裝置是特別設計用于保持串聯LED燈串的其余部分，在一個LED出現故障時，仍能夠正常運轉。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上內部觸發的兩個終端裝置，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開關，漏電量低，與微安開關相似，當它被觸發時(圖3)，就變成低阻抗的微安開關，可最大限度地減少功率消耗。通路狀態的LED下降約0.7V，這并不足以打開保護器裝置。一旦有一個LED出現故障形成開路，有足夠的電路電壓來觸發保護器至通路狀態(恒流輸出電壓由LED驅動電路提供)。圖3中描述的PLED6系列也是以內置抗浪涌為特征的，有助于保護LED免受附近雷擊或靜電放電事件引發的浪涌。 [page]
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顯示了關鍵的參數為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域。在斷開狀態下，VBR是可以應用于該裝置的直流與交流電壓的連續峰值組合，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切換到通路狀態。通常，IS最大值為100mA。吸持電流(IH)是維持裝置處于通路狀態時的最低電流需求(通常為5mA)。通路狀態電壓(VT)是全傳導期間穿過裝置的最大電壓。IT是在通路狀態下，兩秒內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”保護方案可能發揮作用。例如，當選擇適當的LED開路裝置時，可以在串聯中的兩個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。
結論
照明設備制造商正在向生產LED進行轉型，因為LED設備成本低，性能高，維護少，并且它們的壽命可持續數萬小時。但是，它們仍然需要防靜電保護，尤其是在高可靠性應用方面，例如，在惡劣環境中布署的安全關鍵照明設備。事實上，與傳統照明設備相比，戶外LED照明設備具有不可靠性，除非設計師增加了適當的電路保護，以防止最嚴重的過壓情況出現。
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發生故障形成開路時，保持串聯的其他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式電源與LED驅動器的熔斷器、MOV與TVS裝置。
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