室內(nèi)LED燈具的電路保護(hù)設(shè)計
作者/ William Shenberger Littelfuse公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201708/363627.htm摘要:燈具設(shè)計需要針對過電流保護(hù)設(shè)計安全斷開的小尺寸保險絲,本文介紹了室內(nèi)LED燈具保護(hù)電路設(shè)計的相關(guān)要求及設(shè)計人員需要考慮的問題。
引言
最初設(shè)計的室內(nèi)LED燈具,設(shè)計人員面臨著各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些瓶頸包括交直流逆變電路的功率轉(zhuǎn)換、熱功耗考慮/散熱、當(dāng)前燈泡尺寸的物理空間限制、瞬態(tài)電氣脈沖,這些都是除了驅(qū)動LED發(fā)光的基本電路設(shè)計之外的技術(shù)瓶頸。這些挑戰(zhàn)中最重要的一個是針對LED顆粒以及其上游電路中的所有主被動元件提供瞬態(tài)脈沖保護(hù)。這些瞬態(tài)脈沖通常是交流輸入電路中的雷擊感應(yīng)浪涌。這些浪涌意味著LED燈具需要過流及過壓保護(hù)。
1 LED燈具結(jié)構(gòu)
對LED燈具的功能及高亮度的需求增長意味著驅(qū)動電路板上的器件越來越多。大功率LED驅(qū)動形成高亮度輸出,同時會產(chǎn)生大量的熱功耗,這意味著需要更大的散熱片。因為LED燈具旨在與現(xiàn)有的白熾燈和CFL燈具(如通常用于家用照明的主流A19燈具)在封裝形式上兼容,都包含有一條交流/直流變換的電源驅(qū)動電路,因此可以在標(biāo)準(zhǔn)燈具插座上使用(圖1)。由于燈具內(nèi)的元件和(或者)電路故障引起的短路或過載現(xiàn)象,都可能導(dǎo)致直接連接在交流電源中的任何元器件損壞。此外,雷擊感應(yīng)浪涌或開關(guān)機(jī)脈沖(燈具外部產(chǎn)生)產(chǎn)生的尖峰電壓或振鈴波會對燈具內(nèi)部的元件造成壓力并最終造成元件損壞。
一只LED燈具包括圖2中所示的基本電路模塊,其中從右到左依次為:
? 多晶片及單晶片LED顆粒采用串聯(lián)連接配置,稱之為LED燈串。多個串聯(lián)LED燈串并聯(lián)并由同一個電源驅(qū)動。
? 具有相應(yīng)保護(hù)電路的LED燈串驅(qū)動電路中,包括串聯(lián)在回路中的針對過流保護(hù)(OCP)的正溫度系數(shù)(PTC)電阻和并聯(lián)在回路中的用于過壓保護(hù)(OVP)的 TVS 二極管。
? DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路中,包括在輸入端上針對下游元件的次級過壓保護(hù)的并聯(lián)TVS 二極管。
? 交流整流電路中,包括在輸出端上針對下游元件次級過流保護(hù)的串聯(lián)高壓直流保險絲。
? EMI 濾波元件。
? 交流輸入電路中,由火線(L)上的串聯(lián)交流保險絲和火線(L)—零線(N)間并聯(lián)的MOV組成。
2 LED燈具的電路保護(hù)
交流輸入電路中,交流保險絲是燈具的主要過電流保護(hù)器件。如果針對所有必要的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行正確選擇,當(dāng)由于感應(yīng)瞬變和短路/過載所導(dǎo)致的過度電性應(yīng)力(EOS)產(chǎn)生時,這種保險絲通過將所有電路與交流輸入安全地斷開,充分保護(hù)所有下游元件免受損壞。
鑒于與LED燈具設(shè)計相關(guān)的空間限制,針對交流輸入選擇一個緊湊型的交流保險絲是至關(guān)重要的。保險絲的功能是在電流過載情況下可靠且可預(yù)測的熔斷來為元件和完整的電路提供保護(hù)。換句話說,保險絲是電路中的薄弱環(huán)節(jié)。串聯(lián)在交流線路輸入端的交流保險絲能提供短路和過載保護(hù)。如今,交流保險絲具有廣泛的額定電流與額定電壓范圍,可應(yīng)用于最小的結(jié)構(gòu)中。還有一系列其他的關(guān)鍵保險絲參數(shù)和可表面貼裝的設(shè)計供使用,使設(shè)計工程師能夠選擇出滿足所有應(yīng)用要求的保險絲。
具有足夠的I2T額定值的交流保險絲是通過按照IEEEC.62.41標(biāo)準(zhǔn)要求的能源之星振鈴測試所必需的器件。標(biāo)稱的熱熔值I2T(單位:安培平方秒,A2sec)規(guī)定了熔斷保險絲熔絲所需的能量大小。通常,根據(jù)標(biāo)稱熱熔值I2T選擇的保險絲適用于保險絲必須承受較短持續(xù)時間的大電流脈沖的應(yīng)用。LED照明應(yīng)用的浪涌抗擾度測試需要符合8×20μs的組合波形。即使其標(biāo)稱熱熔值I2T超過了波形能量的熱熔值,不同的保險絲結(jié)構(gòu)對浪涌事件也不會有相同的反應(yīng)方式。例如,電力浪涌脈沖產(chǎn)生熱循環(huán),可以使保險絲產(chǎn)生機(jī)械疲勞從而縮短其壽命。
LED照明燈具的交流輸入端的壓敏電阻(MOV)是初級過壓保護(hù)器件。如果針對所有必要的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行正確選擇,它將可以通過鉗制短時電壓脈沖,保護(hù)所有下游元件免受因感應(yīng)瞬變和環(huán)波效應(yīng)所導(dǎo)致的電應(yīng)力(EOS)的損壞。當(dāng)由于感應(yīng)瞬變和短時嵌位電壓脈沖產(chǎn)生的振鈴導(dǎo)致的過度電性應(yīng)力(EOS)發(fā)生時,MOV保護(hù)所有下游元件免受損壞。MOV提供了一種最大程度降低瞬變能量的高性價比的方案,防止其可能會進(jìn)入下游元件。正確的 MOV器件選型要以諸多電氣參數(shù)為基礎(chǔ),包括額定電壓、峰值脈沖電流、能量等級、圓盤尺寸和引腳方式。
3 設(shè)計LED照明燈具需要考慮的問題
LED照明燈具的設(shè)計人員需要考慮各種重要的問題,針對交流輸入電路選擇合適的交流保險絲:
? 第一步是找到關(guān)于應(yīng)用的一些技術(shù)問題的答案。在過去,理解和回答這些技術(shù)問題,然后通過元件規(guī)格書搜索針對某種應(yīng)用選擇合適的保險絲,這是一項非常令人困惑和耗時的工作。這些問題包括燈具的正常工作電流、工作電壓、環(huán)境溫度、過載電流水平和保險絲熔斷需要的時間、最大允許故障電流以及脈沖、浪涌電流、瞬間熱插拔脈沖、啟動電流和電路瞬變等。
? Littelfuse 還提供一種以《保險絲選型指南》為基礎(chǔ)的強(qiáng)大的在線選型工具 - iDesign保險絲選型指南。它旨在幫助電路設(shè)計人員為它們的項目確定最佳的電子保險絲。iDesign工具提供了一種快速、直觀的方法來確定適合應(yīng)用的最佳元件,找出元件的說明文檔,并訂購元件樣品以進(jìn)行原型設(shè)計。它通過保險絲選型步驟,根據(jù)所提供的輸入信息快速縮小可選范圍,幫助設(shè)計人員選擇到合適的保險絲。
? 在初始設(shè)計時,知道燈具將要出售的市場是至關(guān)重要的。根據(jù)燈具是否在美國、北美的其他地方,歐洲、亞洲或其他區(qū)域使用,設(shè)計和測試必須要滿足不同的標(biāo)準(zhǔn)。
? 確定可能影響可使用的保險絲的尺寸限制。保險絲可以使用多種方法進(jìn)行封裝,但表面貼裝設(shè)計是LED照明應(yīng)用中最常見的封裝形式。幸運(yùn)的是,對于電路設(shè)計人員來說,現(xiàn)在可以使用更小尺寸的保險絲來保護(hù)交流輸入,其中一些的尺寸只有以前可用的最小保險絲的一半。
? 電流流過保險絲產(chǎn)生的溫度隨著環(huán)境溫度的變化而增加或減少。請注意,保險絲的“環(huán)境溫度”并非正如其名,等同于“室溫”。相反,環(huán)境溫度是保險絲周圍空氣的溫度,通常遠(yuǎn)高于室溫,因為保險絲可能會被封裝在(例如在保險絲座中)或安裝在LED板的發(fā)熱部件附近。對于25攝氏度的環(huán)境溫度,通常建議保險絲的工作電流不超過額定電流的75%。保險絲本質(zhì)上是溫度敏感的器件,所以當(dāng)保險絲100%滿載到額定值時,即使很小的溫度變化也可能會極大地影響保險絲的預(yù)期壽命。
? 確定應(yīng)用所需的分?jǐn)嗄芰?。分?jǐn)嗄芰σ部赡鼙环Q為熔斷額定值或短路額定值(I2T值)。這是保險絲在額定電壓條件下可以安全熔斷的最大許可電流。在故障或短路狀態(tài)下,保險絲可能承受一個遠(yuǎn)高于正常工作電流的瞬間過載電流。斷開意味著完好無損(無爆炸或本體破裂)并切斷電路。
? 確保在生產(chǎn)之前有足夠的時間進(jìn)行全面的應(yīng)用測試和驗證。如果初始設(shè)計沒有通過其中任何一項測試,請確保在計劃中有足夠的余地來修改設(shè)計并重新測試。
? 最后,設(shè)計人員必須將保險絲與下游過壓保護(hù)器件和LED燈串驅(qū)動電路配合好。在LED燈具設(shè)計過程之初,必須考慮到瞬態(tài)抑制。保險絲的選型必須要能滿足規(guī)格定義的能量沖擊,避免LED燈串驅(qū)動電路受到不利影響。交流輸入電路上的保險絲和MOV,如果選型合適,當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)脈沖時,無需保險絲斷開就能實現(xiàn)過壓鉗位保護(hù)、安全地保護(hù)下游電路,同時最大程度降低了對LED燈串驅(qū)動電路(包括LED燈串本身)的損傷。
? 然而,也有特定的LED照明燈具工作電路無法承受瞬態(tài)脈沖沖擊。在這些情況下,正如在前面關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的內(nèi)容中所指出的,添加一個用于過壓保護(hù)的輔助次級TVS二極管是一種經(jīng)過驗證方案,可進(jìn)一步鉗制MOV的“殘壓”能量。在最極端的情況下,甚至還有一個額外的過流保護(hù)器件(如圖2的中部所示,交流整流模塊中的高壓直流保險絲)和LED燈串中的過流保護(hù)器件(與LED燈串串聯(lián)的PTC)、過壓保護(hù)(與LED燈串并聯(lián)的TVS二極管)以及LED開路保護(hù)(與LED晶粒并聯(lián)的單個PLED),以提供更強(qiáng)勁的電路保護(hù)。
? 保險絲與過壓保護(hù)和LED驅(qū)動器的搭配。
? 瞬態(tài)電壓抑制必須是初始設(shè)計過程的一部分;所選擇的的器件必須能夠減少瞬態(tài)脈沖能量,抑制住脈沖電壓,從而使驅(qū)動電路不受影響。
? TVS二極管是最常用的一種抑制器件。TVS二極管專門設(shè)計用于保護(hù)電子電路,防止瞬態(tài)過電壓。作為一種硅半導(dǎo)體雪崩器件,它既有單向也有雙向。在單向TVS,特定的鉗位特性只在一個方向上表現(xiàn)出來,在另一個方向上顯示出的是類似于傳統(tǒng)的整流器二極管的正向?qū)妷?VF)特性。LED照明電源(驅(qū)動器)通常在其電路中一個或多個位置上需要安裝TVS二極管。
? 瞬態(tài)脈沖的破壞潛力是由其峰值電壓、持續(xù)電流和脈沖寬度所決定的。當(dāng)用于保護(hù)諸如驅(qū)動IC和LED晶粒等敏感元件時,瞬態(tài)抑制器的響應(yīng)時間極為重要。如果瞬態(tài)抑制器響應(yīng)速度慢,當(dāng)系統(tǒng)上出現(xiàn)了快速上升的瞬態(tài)尖峰時,在抑制器開始動作前,通過被保護(hù)負(fù)載的尖峰電壓就已上升并起到破環(huán)作用
? 在選擇TVS二極管時,必須考慮以下幾個重要的參數(shù):
? 反向截止電壓(VR)。其中最重要的參數(shù)是VR,其必須等于或大于被保護(hù)電路(或電路的一部分)的峰值工作電壓。確保TVS在正常驅(qū)動電壓下不會動作。
? 峰值脈沖電流(IPP)。IPP是TVS所能承受的最大安全脈沖電流,通常以諸如10×1000μs的指數(shù)波形為參照表示。Ipp僅表示瞬態(tài)峰值電壓除以源阻抗的值。
? 最大鉗位電壓(VC)。VC是基于參照的指數(shù)波形,在脈沖峰值電流(IPP)流過TVS 器件時,TVS 兩端出現(xiàn)的峰值電壓。
? TVS二極管中的故障機(jī)制是短路。因此,如果TVS二極管因瞬態(tài)脈沖而出現(xiàn)故障,其所在的電路依然會受到保護(hù)。
4 結(jié)論
在LED 燈具設(shè)計初期階段就有完善的電路保護(hù),并投入所需的時間和資源的設(shè)計人員將會收獲成功的產(chǎn)品和更好的用戶體驗。由于交流保險絲、交流MOV和TVS二極管等元件的最新進(jìn)展,到新一代設(shè)計人員誕生之前,下一代LED燈具就可能到來。
本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第74頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。
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