分享：LED燈具損壞的常見原因及解決方案

　　將高功率白光LED作為新型綠色照明時(shí)，將擁有諸如光轉(zhuǎn)換效率高、功耗低，壽命長(zhǎng)，無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸被應(yīng)用于各種照明領(lǐng)域。LED的長(zhǎng)使用壽命是基于其安全的工作環(huán)境。對(duì)于LED照明來講，主要有兩種威脅影響其壽命；一種是過電沖擊，此處的過電沖擊就是LED上施加的電流超過該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大額定電流，包括過壓引起的過電流沖擊；另一種則是過熱損傷。這些損壞可以表現(xiàn)為組件的立即失效，也可能發(fā)生在過電沖擊事件后許久才失效，縮短LED工作壽命。

　　LED燈具損壞的原因

　　LED燈具失效一是來源于電源和驅(qū)動(dòng)的失效，二是來源于LED組件本身的失效。通常LED電源和驅(qū)動(dòng)的損壞來自于輸入電源的過電沖擊(EOS)以及負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)芯片的損壞以及如電容等被動(dòng)組件發(fā)生擊穿損壞；而負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動(dòng)電路的過電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)致的過熱損壞。
　
　　LED組件本身失效的情況

　　瞬態(tài)過電流事件

　　瞬態(tài)過電流事件，是指流過LED的電流超過該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的直接產(chǎn)生，也可能是因高電壓間接產(chǎn)生，如瞬態(tài)雷擊，開關(guān)電源的瞬態(tài)開關(guān)噪聲，電網(wǎng)波動(dòng)等過壓事件引起的過流。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)過電流。

　　對(duì)于在汽車中的LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負(fù)載突波沖擊，則是其正常工作的一個(gè)重要威脅。

　　LED遭受過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。

　　靜電放電事件

　　ESD損壞是目前高整合半導(dǎo)體組件制造，運(yùn)輸和應(yīng)用中最為常見的一種瞬態(tài)過壓危害，而LED照明系統(tǒng)則需要滿足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)致的過電沖擊失效。

　　LED PN結(jié)數(shù)組性能降低或損壞，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)重的也會(huì)導(dǎo)致LED的永久損壞。

　　過熱損壞

　　對(duì)于接近80%能量轉(zhuǎn)化為熱量消散的LED照明設(shè)計(jì)來講，熱管理和故障過熱保護(hù)是其面臨的一個(gè)重要課題，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)的。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)溫升高10℃時(shí)，光通量就會(huì)衰減1%，LED就減少壽命50％。

　　電源及驅(qū)動(dòng)電路的防護(hù)

　　由于LED電源和驅(qū)動(dòng)電路容易遭受過電沖擊和短路故障損壞，因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，需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，降低回修率（圖3）。

　　PPTC在LED照明中的過流保護(hù)和過熱保護(hù)

　　雖然很多高端LED驅(qū)動(dòng)組件逐漸整合了過電流、過溫等保護(hù)功能，但在許多場(chǎng)合，特別是過熱保護(hù)方面，仍然需要分立組件方案作為協(xié)同保護(hù)方案，以使得燈具具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。

　　PPTC就是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻，是由聚合物與導(dǎo)電粒子等構(gòu)成。在經(jīng)過特殊加工后，導(dǎo)電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路。當(dāng)正常工作電流通過（或組件處于正常環(huán)境溫度）時(shí)，PPTC呈低阻狀態(tài)；當(dāng)電路中有異常過電流通過（或環(huán)境溫度升高）時(shí)，大電流（或環(huán)境溫度升高）所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導(dǎo)電粒子所構(gòu)成的導(dǎo)電通路，PPTC呈高阻狀態(tài)；當(dāng)電路中過電流（超溫狀態(tài)）排除后，聚合物冷卻，體積恢復(fù)正常，其中導(dǎo)電粒子又重新構(gòu)成導(dǎo)電通路，PPTC又呈現(xiàn)初始的低阻狀態(tài)。PPTC的體積小，成本低，可反復(fù)使用，因而能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)恢復(fù)。

　　在LED照明中，根據(jù)燈具應(yīng)用場(chǎng)合的不同有不同的過熱保護(hù)要求，通常分為兩種，分別為達(dá)到規(guī)定溫度立即斷開關(guān)斷保護(hù)（圖4），此種保護(hù)通常應(yīng)用于道路交通號(hào)志；另外則是到達(dá)一定溫度時(shí)啟動(dòng)保護(hù)，進(jìn)行降電流驅(qū)動(dòng)（圖5），此種保護(hù)通常應(yīng)用于室內(nèi)照明和道路照明。

圖4

圖5

　　在串聯(lián)相結(jié)合的巨型數(shù)組照明、或景觀燈的過電流和過熱保護(hù)在成本與保護(hù)方案的相互平衡中，通常有兩種保護(hù)方案可用：

　　1.分路保護(hù)（圖6）。對(duì)于多串的LED系統(tǒng)，我們可以在每隔支路上串聯(lián)一顆 PPTC分別進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是可以實(shí)現(xiàn)精確保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟骋恢返墓收隙鴮?dǎo)致整個(gè)燈具的不工作，保護(hù)的可靠性好。

　　2.主干路保護(hù)（圖7）。這種保護(hù)就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC，對(duì)整個(gè)燈具進(jìn)行保護(hù)。這種方式的好處是成本低，占板面積小。

此外，PPTC可以作為溫度傳感器與LED驅(qū)動(dòng)器配合使用，實(shí)現(xiàn)LED數(shù)組照明的過熱保護(hù)（圖8），在大型數(shù)組照明中，由于LED燈串眾多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)過熱故障的位置往往并不固定于某個(gè)特定的位置。因此，單顆過熱檢測(cè)組件很難提供完善的過熱保護(hù)。而PPTC在正常工作下的低電阻，以及它的正溫度系數(shù)特性，可以方便的將數(shù)顆PPTC串聯(lián)于熱保護(hù)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)過熱監(jiān)控。將多個(gè)PPTC串聯(lián)、并物理安裝于可能出現(xiàn)過熱的部位，由于PPTC的低電阻，THRM引腳位準(zhǔn)為0，電源電路正常工作；當(dāng)燈具某處或多處發(fā)生過溫故障時(shí)，THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱，電阻急劇上升，THRM引腳位準(zhǔn)變?yōu)楦呶粶?zhǔn)，從而啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的過熱保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)過熱關(guān)斷或過熱折減驅(qū)動(dòng)。這種解決方案對(duì)于LED面光源的過熱保護(hù)可謂經(jīng)濟(jì)且有效。

　　結(jié)論

　　PPTC由于其本身的諸多特點(diǎn)，非常適合于LED照明系統(tǒng)的過電流和過熱保護(hù)，在設(shè)計(jì)中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實(shí)現(xiàn)最佳的熱傳導(dǎo)，使PPTC保護(hù)更加實(shí)時(shí)、有效；此外，PPTC產(chǎn)品的封裝形式多樣，能根據(jù)客戶要求訂制封裝，具備高度彈性。但過熱保護(hù)沒有標(biāo)準(zhǔn)解決方案，具體設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際燈具，并進(jìn)行充分驗(yàn)證。泰科電子非常樂意與業(yè)界工程師一起根據(jù)實(shí)際