PPTC器件用于保護高亮度LED照明系統(tǒng)

標簽：LED 照明 光源

引言

隨著照明技術從極為耗電的白熾燈轉為冷陰極熒光燈(CCFL)，再發(fā)展到現在的發(fā)光二極管(LED)燈，可以很清楚地看到在最終用戶愿意為更綠色的照明支付更高成本的同時，他們也有一個內在的期望即壽命更長和更高的可靠性，這才將是他們投資的凈效益。

在滿足這些期望時，LED設計工程師們必須考慮到影響產品性能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度，再到過壓和過溫保護，LED技術的獨特性帶來了較陳舊的與技術不相干的各種新挑戰(zhàn)。

憑借改善的芯片設計和材料，LED技術已經快速向前發(fā)展，促使其向更亮、更高效節(jié)能、壽命更持久的光源快速發(fā)展，并能夠在一個更大的范圍內應用。盡管技術日益普及，但仍然有一個事實，即過多的熱量和不恰當的應用能夠顯著的影響LED壽命和性能。

高亮度LED(HB LED)是節(jié)能、高性價比的設備，能夠確保下一代的照明解決方案。從建筑照明到汽車照明到各種顯示設備的背光和新型消費電子(如照相手機中的閃光燈)，HB LED照明的應用將持續(xù)增長。

HB LED照明系統(tǒng)中的過流情況

LED光輸出隨芯片類型、封裝、每個晶圓批次的效率和其它變量而變化。LED制造商使用如高亮度這樣的術語來形容LED的密度。HB LED驅動器可由線性或者開關電源供電。當電源電壓略微大于負載電壓時，線性驅動器是最合適的，電阻會用于限制其電流。開關電源亦會經常使用，因為它們更高效。

通常，電流感應電阻器為電流調節(jié)控制器提供了反饋，以監(jiān)控供應給HB LED的電流。另一個可選的解決方案就是使用聚合物正溫度系數(PPTC)器件來限制流過LED的電流。

如圖1所示，一個PPTC器件是一個電路中的一系列要素之一。通常PPTC器件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會對正常的電路性能造成影響。然而，一旦發(fā)生一次過流的情況，該器件會增加電阻(跳閘)，并且將電路中的電流降低到一個任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發(fā)熱原理帶來的器件溫度迅速升高而引起。

圖1、典型的用于HB LED照明的電流保護設計

器件會一直保持其跳閘或者閂鎖狀態(tài)直到故障被排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC器件會復位并允許電流重新開始流動，使電路恢復正常工作。當PPTC器件不能夠阻止一次故障發(fā)生時，它們會迅速做出反應，將電流限制到一個安全的等級以幫助防止對下游器件隨之而來的損壞。此外，它們的小型化外形使得它們易于在空間受限的應用中使用。

HB LED照明的過溫保護

與傳統(tǒng)照明不同，由于HB LED是極其熱敏感，其熱管理是一個重要的設計考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命， PN結不能夠達到導通溫度。由于PPTC器件采用的是熱激活，因此器件周圍溫度的任何變化都會影響其性能。隨著器件周圍的溫度增加，更少的能量就要求器件跳閘，因此其能夠鉗住并降低電流值。

PPTC器件的工作原理

PPTC電路保護器件采用半晶體狀聚合物與導電性顆粒復合制成。在正常溫度下，這些導電性顆粒在聚合物內構成了低電阻的網絡結構。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(Tsw)時，無論這種狀況是由大電流造成的還是由于環(huán)境溫度的上升造成，聚合物內的晶體物質都將會融化并成為無定形物質。在晶體相融化階段出現的體積增大會導致導電性顆粒在液力作用下分隔，并使器件的電阻值出現巨大的非線性增長，如圖2所示。

圖2、PPTC器件保護電路為響應過流或過溫情況，從低電阻狀態(tài)轉到高電阻狀態(tài)

典型情況下，電阻值將增加3個或者更多的數量級。電阻值增加后能夠將故障條件下流經的電流數量降低到一個較低的穩(wěn)態(tài)水平，從而保護電路內的設備。在故障排除以及電路電源斷開之前，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài);而在導電性復合材料冷卻下來并重新結晶后，PPTC器件將重新恢復低阻值狀態(tài)。

在正常工作情況下，PPTC器件產生的或散失的熱量處于一個相對低溫的平衡狀態(tài)，如圖3中的1點所示。當環(huán)境溫度不變而流過器件的電流增加時，器件所產生的熱量也會隨之增加。如果增加的電流是微小的，其所產生的熱量能夠散失到環(huán)境中，器件會穩(wěn)定在一個較高的溫度，如圖3中的2點所示。

圖3、PPTC器件的典型工作曲線

相反，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，器件會穩(wěn)定在一個較高的溫度，可能再次到達如原理圖中的第2點。第2點也可能為電流和溫度增加共同作用下的結果。隨著電流、溫度或者兩者結合的進一步增加，將會引起器件升溫并達到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3點所示，這就是所謂的曲線低端拐點。任何進一步的電流或者環(huán)境溫度增加將導致器件產生熱量的速度比其向環(huán)境中散失熱量的速度更快，使其溫度迅速的升高。

在這個階段中，隨著非常小的溫度變化將產生一個非常大的電阻值升高，如圖3中第3點與第4點之間所示。這是處于PPTC器件跳閘時的一個正常的工作區(qū)域。電阻增大導致電路中流經的電流相應的減少。

因為第3點和第4點之間的溫度變化很微小，這種關系將一直保持直到器件達到曲線上第4點的上拐點。只要外部施加的電源電壓保持在這個電平，則器件會一直閂鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開，電源循環(huán)啟動后，PPTC器件將復位到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復到正常工作狀態(tài)。

圖4說明了PPTC跳閘前后保護HB LED照明系統(tǒng)的電路。該圖表明了在跳閘后電流是如何被降低，從而保護電路免受過流、過溫情況所造成的損壞。

圖4、PPTC器件跳閘前后的電路狀態(tài)

符合第二類(Class 2)電源安全標準

在一個照明系統(tǒng)中采用第二類電源可成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源(如變壓器、電源供應器或電池等)，可能包含保護器件，只要它們不依賴于第二類電源的輸出限制即可。

非自有限制型電源，按照其定義，具有一個分立在外的保護器件，當電流和能量輸出達到預定值時它會自動中斷輸出。

各種各樣的電路保護器件都能對用于LED照明應用的第二類電源提供保護。圖5說明了一種協(xié)同保護策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個MOV，并在輸出電路分支上采用了一個PolySwitch PPTC器件，可以幫助廠商滿足UL1310規(guī)范第35.1小節(jié)針對開關和控制裝置的過載試驗要求。

圖5、第二類電源的協(xié)同保護原理圖

總結

可復位PPTC器件在多樣化的HB LED照明系統(tǒng)應用中已經展現出了有效性。與傳統(tǒng)的保險絲一樣，它們在超出額定值后可限制電流。然而又不同于傳統(tǒng)保險絲，PPTC器件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復位。由于其采用熱激活，因此可以防止電路在過溫條件下所造成的損壞。這種獨特的功能可以幫助設計師提高照明系統(tǒng)的可靠性和平均壽命，以及減少元件數量和降低設計復雜度。

與任何電路保護策略一樣，一個解決方案的有效性將取決于每個不同線路布局、板型、特定元器件和具體應用的各種特殊設計考慮。