檢測和處理LED照明的故障

 　　無論工程師如何努力去避免，部件失效總會出現(xiàn)的，而LED燈具也不例外。對于LED照明解決方案的預期成本和可靠性來說，避免短路或開路帶來的系統(tǒng)停機是至關重要的。由于LED燈具通常采用多個LED組成的燈串，所以一個開路LED會引起整串LED變黑。

　　要搬動設備和進行交通改道以修復交通燈的成本非常昂貴。分散在一個建筑物或地區(qū)中的照明系統(tǒng)若出現(xiàn)故障可能不會被重視, 但卻會造成安全和保安風險。因此，使用監(jiān)控照明系統(tǒng)以增加正常運行時間或減少停機時間，是獲得積極的客戶評價和快速采用LED照明解決方案的關鍵。

　　檢測和監(jiān)控

　　處理故障首先需要進行檢測，這是維持照明系統(tǒng)功能性的最基本步驟。對于LED，電壓是檢測單個LED狀態(tài)的最容易測量的參數(shù)。用于故障感測，通狀態(tài)的LED電壓可提供給檢測開路或短路LED時使用。

　　如上所述，單一LED的開路故障不僅是單一器件的照明損失，還會擴大為基于典型照明配置的整串LED的損失。相反，如果在短路情況下，其它LED則可以繼續(xù)運作，減少了被檢測出故障的可能性，但是會讓查看故障的人留下系統(tǒng)不可靠的印象。

　　主動監(jiān)控和檢測提供了系統(tǒng)管理功能，因其快速檢測故障并維修能夠最大限度地減少對功能性和停機時間的影響。要有效地檢測故障，必須檢查照明燈具中的每個LED，而這需要一個與多個LED連接，同時將LED故障位置的狀態(tài)或故障檢測信息傳遞到電路和系統(tǒng)的解決方案。

　　對于在各種應用中不同長度的LED串，必須使用靈活的多通道IC解決方案。這款解決方案必須能夠在任意LED串電壓范圍(這取決于LED串中的LED數(shù)目)和寬范圍的LED工作電流下工作，無論故障是發(fā)生在LED串內的什么位置，它都必須能夠傳達并且具有一個結合來自多個LED串的故障信號的機制。

　　最直接的方法就是使用局部供電電路來進行檢測，然后使用一個級聯(lián)電流信號作為故障指示。在LED串中， IC解決方案可以設計讓位于LED串頂部的芯片，從主LED供電總線中獲取故障電流，并且向LED串中位于它下部的芯片發(fā)送開/關故障電流指示。在LED串的底部，故障/無故障電流被放到一個電路中，用來提供應用所需的最終指示。一個級聯(lián)多通道示例如圖1所示，使用AAL406 LED故障檢測和旁路保護IC。

　　圖1 最直接的方法是使用局部供電電路進行檢測，然后使用一個級聯(lián)電流信號作為故障指示。

　　一個壞的LED損壞整個LED串

　　在燈具中，一個開路LED會引起整串LED失效，這是一個嚴重的問題。一個維持LED串功能性的方法就是提供一個圍繞開路LED的旁路路徑，允許LED串的剩余部分繼續(xù)工作。最簡單的LED旁路方法是使用一個跨接LED的雙引腳SCR連線，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，電壓過低不能直接使用，所以需要增添一個齊納二極管來提高觸發(fā)電壓(參見圖2)。

　　如果LED開路，其兩端的電壓會上升，直到達到SCR柵極電壓并動作，然后提供一個圍繞開路LED的鎖定通道(LED使用DC電壓和電流驅動，因而它們無需增添使用TRIAC進行旁路的復雜性)。SCR將保持工作，直到電流下降到SCR特定保持電流之下。這種方法適用于DC LED串電流，這是LED的通常狀態(tài)。在LED串使用PWM開/關調光時，SCR在每個PWM循環(huán)重置并重新動作，因而不會影響功能性，同時降低了功率損耗。

　　圖2：最簡單的LED旁路方法是使用一個圍繞LED的雙引腳SCR連線，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，太低而無法直接使用，所以需要增添一個齊納二極管來提高觸發(fā)電壓。

　　上述方法對于應用具有某些限制和要求，以確保其正常的運作。LED串必須使用類似電流源來供電，如果發(fā)生開路，LED電壓將會上升。此外，電壓上升必須高于旁路功能的觸發(fā)電壓。而且，LED串的電流路徑應當對瞬態(tài)電流有某些限制，原因在于SCR的快速動作而LED則具有相對較低的負載阻抗特性。示例之一就是如果SCR工作于一個電容較大的總線，其電流路徑的阻抗較低時檢測就會失效。在一個IC中實施這類旁路和監(jiān)控解決方案，能夠以套件形式實現(xiàn)多個SCR的故障管理。當中所感測的LED電壓用于開路LED旁路SCR的動作，也用于提供短路或開路的故障感測。

　　圖3所示是如前所述基于IC的級聯(lián)電流故障檢測/維修方案的示意圖，請留意這個方法的一個缺點是不能與PWM調光無縫集成。當LED串電流因PWM信號的緣故而為關閉/零時，由于跨接/通過LED的電壓/電流變化很大，檢測/報告將處于不確定的狀態(tài)。設計人員可以使用一個在級聯(lián)底部的附加電路，使用PWM信號來鎖定故障報告，同時LED保持工作/開啟，并且在PWM信號強迫LED串電流下降為零時，忽略/保持故障狀態(tài)。

　　圖3 基于IC的級聯(lián)電流故障檢測/報告機制

　　散熱問題

　　與任何電路一樣，設計人員需要考慮封裝和散熱問題，請留意片上SCR具有大約1V的導通狀態(tài)電壓(與電流正相關，與溫度負相關)，這意味著在0.3A電流下?lián)p耗為0.3 W。

　　將熱量散發(fā)到周圍空氣中對于可靠性是至關重要的，典型的塑料IC封裝對于上述功率級別是不足夠的，這個應用中的IC封裝需要采取熱管理措施，但無需其它特別的措施。舉一個特定示例，AAL406器件在表面安裝SOIC 8引腳封裝中具有三個SCR和內置故障感測，由于底部的金屬片，它與內部芯片是熱耦合的，因此這個封裝具有出色的熱性能。通過在芯片底部PCB上敷設銅皮，并且將金屬片焊接在銅皮的頂部，能夠大大提升熱傳遞性能。

　　要改進熱傳遞應當使用標準鍍金通孔來連接頂部銅皮和IC下方的底部銅皮。在最差情形下，多個SCR具有較高電流負載的情況，熱要求可能更加嚴格。在這些情況下，將它們安裝在一個共同散熱片上，比如絕緣金屬基底(IMS)上，是一個可靠的解決方案。而所需的散熱水平取決于以下的預期，包括處理故障對比維修、在正常工作下處理工作電流對比故障的發(fā)生，工作溫度范圍、成本考慮因素和其它此類系統(tǒng)設計和運作問題。