LED燈具失效分析及其電路保護(hù)措施

LED燈具損壞的原因

　　LED燈具失效一是來(lái)源于電源和驅(qū)動(dòng)的失效，二是來(lái)源于LED器件本身的失效。通常LED電源和驅(qū)動(dòng)的損壞來(lái)自于輸入電源的過(guò)電沖擊(EOS)以及負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過(guò)電沖擊往往會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)芯片的損壞，以及電容等被動(dòng)元件發(fā)生擊穿損壞。負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)致的過(guò)熱損壞。LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。

　　1.瞬態(tài)過(guò)流事件

　　瞬態(tài)過(guò)流事件是指流過(guò)LED的電流超過(guò)該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產(chǎn)生也可能是由高電壓間接產(chǎn)生，如瞬態(tài)雷擊、開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)噪聲、電網(wǎng)波動(dòng)等過(guò)壓事件引起的過(guò)流。這些事件都是瞬態(tài)的，持續(xù)時(shí)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(tài)過(guò)流事件的情況還包括LED接通電源，或是帶電插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)電流。

　　對(duì)于汽車中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負(fù)載浪涌沖擊則是其正常工作的一個(gè)重要威脅。

　　LED遭受過(guò)電沖擊后的失效模式并非固定，但通常會(huì)導(dǎo)致焊接線損壞，如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬態(tài)過(guò)電流引起。除了導(dǎo)致焊接線燒斷外，還可能導(dǎo)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(dǎo)體器件制造、運(yùn)輸和應(yīng)用中最為常見(jiàn)的一種瞬態(tài)過(guò)壓危害，而LED照明系統(tǒng)則須滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電，以防止系統(tǒng)在靜電放電時(shí)有可能導(dǎo)致的過(guò)電沖擊失效。

　　LED PN結(jié)陣列性能將出現(xiàn)降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導(dǎo)致的LED芯片的內(nèi)部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴(yán)重的話也會(huì)導(dǎo)致LED永久損壞。

　　圖2：LED部分PN結(jié)損壞。

　　對(duì)于接近80%能量都轉(zhuǎn)化為熱量的LED照明設(shè)計(jì)而言，熱管理和故障過(guò)熱保護(hù)是其面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明，LED的性能和壽命是與LED的PN結(jié)工作溫度緊密相關(guān)。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)溫升高10℃，光通量就會(huì)衰減1%，LED的壽命就會(huì)減少50%。

　　電源及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)

　　由于LED電源和驅(qū)動(dòng)電路容易遭受過(guò)電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護(hù)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(shí)現(xiàn)交流電源的過(guò)流和短路保護(hù)，ROV用于過(guò)電沖擊和浪涌保護(hù)。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過(guò)壓過(guò)流綜合保護(hù)元件，LED燈串中的表面貼系列則是實(shí)現(xiàn)負(fù)載過(guò)流或斷路故障保護(hù)(圖3)。

　　圖3：LED燈具電源及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)設(shè)計(jì)。