詳解LED過流過壓干擾防護措施

隨著社會的發(fā)展和大家對節(jié)能環(huán)保的意識不斷提高，LED燈具的市場前景將是一片光輝，不斷進步的LED照明市場需要性能良好的硬件設備(燈具)，正確的硬件設計是產(chǎn)品成功的關鍵。前期在硬件設備設計時充分考慮各種干擾因素的影響會使燈具質量得到很大的保證，對硬件設備進行適當?shù)倪^壓過流沖擊防護設計能夠大幅度地提高它的的使用壽命，減小維修成本，更好的滿足人們的需求。

LED元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關，因為任何一次過壓過流干擾都可能導致LED損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效，也可能在發(fā)生過壓過流干擾后許久才失效。LED芯片的小型化和LED燈具內(nèi)部電器結構的復雜化正在使這一問題變得更加嚴重。

一、LED的過壓過流故障現(xiàn)象

當出現(xiàn)過壓過流干擾時，元件性能會減弱或損壞。LED元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關，因為任何一次過壓過流干擾都可能導致LED損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效，也可能在發(fā)生過壓過流干擾后許久才失效。LED芯片的小型化和LED燈具內(nèi)部電器結構的復雜化正在使這一問題變得更加嚴重。燈具內(nèi)LED芯片的過壓過流故障主要有以下兩種現(xiàn)象:

a、芯片內(nèi)部焊接線損壞

過壓過流干擾導致的第一種失效模式是LED封裝內(nèi)部的焊接線受損。這種損壞通常表現(xiàn)為接線燒斷。此外，過壓過流干擾還能導致靠近焊接線的其他材料(例如密封材料或熒光體)損壞。

b、芯片焊盤位置損壞

過壓過流干擾導致的另一種失效模式是LED芯片本體靠近焊盤的位置受損。

二、LED發(fā)生過壓過流干擾的主要原因

LED芯片發(fā)生過壓過流干擾的原因有多種，如浪涌、靜電，來自其他設備的脈沖信號干擾、燈具組裝時不恰當?shù)墓ぷ鞣椒?、接地點不夠導致電流快速轉換引起高電壓等情況都會引起過壓過流干擾。但以下兩種情況是LED燈具生產(chǎn)與使用過程中造成過壓過流干擾的主要原因。

a、靜電放電ESD

靜電放電是大多數(shù)電子元件在生產(chǎn)、運輸、加工過程中不可避免的風險。雖然目前大多數(shù)的LED芯片自身已經(jīng)具有防靜電干擾的設計一般為2kV，但靜電放電依舊是LED芯片在燈具生產(chǎn)環(huán)節(jié)損壞的主要原因。

b、短時間的過負荷

短時間的過負荷即短時間內(nèi)LED的輸入電壓或電流超過其額定值如浪涌電壓或雷擊。過負荷一般只持續(xù)極短的時間通常不會超過500ms類似的電壓或電流稱為尖峰電壓或尖峰電流。短時間的過負荷是LED芯片在燈具正常使用過程中損壞的主要原因。

三、LED過壓過流干擾的防護方法

1、防止靜電放電損壞LED的方法

靜電放電是LED芯片的隱形殺手。LED燈具生產(chǎn)過程中每個階段的每個步驟都可能使LED受到靜電的損傷。靜電防護就是消除靜電或把靜電電壓控制在允許的范圍內(nèi)使它不致產(chǎn)生危害。生產(chǎn)過程中靜電防護的主要措施為：

a、保證車間生產(chǎn)人員及生產(chǎn)設備的靜電防護。(屏蔽與接地)

b、盡可能的使生產(chǎn)車間和周圍環(huán)境達到防靜電要求。(中和、增濕、屏蔽與接地)

c、采用靜電保護器(ESD)對各接口芯線對地做靜電防護。(靜電泄露、耗散)

依照上述防靜電措施進行操作，將靜電防護工作當作一項長期的系統(tǒng)工程，防止任何環(huán)節(jié)的失誤或疏漏，加上LED芯片有一定的防靜電干擾功能，則在生產(chǎn)過程中可以有效地防止靜電放電對LED的損傷。

2、防止LED芯片短時間過負荷的方法

防護瞬間過電壓或過電流等LED短時間過負荷現(xiàn)象常用的器件有瞬態(tài)抑制二極管TVS，熱敏電阻MOV,浪涌靜電硅抑制器SET等。目前LED燈具防過負荷設計方案分為兩種：第一種為保險絲、壓敏電阻MOV、瞬態(tài)抑制二極管TVS組合形成的電源輸入端保護電路，一般用在LED燈具電控系統(tǒng)的輸入端口防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾原因造成的LED故障。第二種為瞬態(tài)抑制二極管TVS、負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)過負荷保護電路，一般串聯(lián)在LED芯片組成的照明電路中，防止LED燈具通電開啟瞬間造成的LED損傷。以下對這兩種方法分別予以討論。

2.1、防止電源瞬間浪涌干擾造成LED損傷的的保護方案

方案中主要用到壓敏電阻MOV及瞬態(tài)抑制二極管TVS做過壓防護，壓敏電阻是一種具有電壓電流對稱特性的電壓屬性電阻器，它主要用來保護電子元件免受尖峰電壓或尖峰電流的影響。壓敏電阻在常態(tài)時對受保護的電子元件具有很高的阻抗，而且不會改變電路特性，但當瞬間尖峰電壓出現(xiàn)越過壓敏電阻的擊穿電壓時，該壓敏電阻的阻抗會變低(僅有幾歐姆)，并造成原線路短路，從而對電子產(chǎn)品或元件進行保護。將壓敏電阻接入LED燈具電源輸入端，可防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾造成的LED故障。正常運行時一旦電網(wǎng)電壓升高，壓敏電阻會瞬間擊穿短路，對過壓能量進行吸收和泄放，從而有效的防止過電壓進入受保護線路。方案中用到2個保險絲Fuse1和Fuse2，其中Fuse1在壓敏電阻的前端，用來防止壓敏電阻失效而短路，但也要通過雷擊大電流。因此，通常選用慢融性保險絲，其不承擔過載短路的作用;而Fuse2是用來防止過載，選用快熔性保險絲，不承擔浪涌電流，可以根據(jù)負載額定電流選擇合適的保險絲。后端為瞬態(tài)抑制二極管TVS是對前級壓敏電阻的殘余能量進行進一步的吸收和泄放。更好的保護后端負載。

2.2、防止通電瞬間損傷LED的保護方案

在LED燈具剛剛通電時會產(chǎn)生一種常見的瞬間過電流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為浪涌電流?？梢圆捎迷跓艟邇?nèi)部電路使用NTC電阻器的方法實現(xiàn)LED燈具的浪涌電流保護。具體而言，就是在燈具剛剛通電時NTC器件提供一個高電阻值來保護LED免受浪涌電流的損壞，在過渡時間之后NTC電阻器的電阻會降低到可忽略不計的數(shù)值。方案中的瞬態(tài)抑制二極管TVS對瞬間的浪涌能量提供一條通路，保護后端LED燈珠不受影響。

2.3、防止LED燈珠開路(電源極性反接保護)的保護方案

當LED輸入端有高壓脈沖時會導致后端芯片及LED燈損壞，而瞬態(tài)抑制二極管TVS可以對高壓脈沖進行吸收和箝端電路可承受的范圍內(nèi)，從而消除了由輸入端帶來的干擾。O.C.P為半導體過壓型保護器件，當燈珠兩端有靜電和過電壓時可瞬間吸收和箝位，把電壓降低，并且當LED開路損壞時，電流無法流過損壞的LED燈珠，此時電源的電壓全部加在O.C.P上，很快O.C.P兩端的電壓就達到了它的開關電壓，O.C.P開始工作，隨后將電壓降低到1V左右，電流從O.C.P流過也經(jīng)過了其它的LED燈珠，其它的燈珠又亮了起來。當LED燈串被反向通上電源時，所有保護器O.C.P都會開始導通，將這些被保護的LED上的電流分流以保護它們不受傷害。在反向電極糾正之后，保護器會關閉，LED正常工作。