LED照明驅(qū)動電路失效機(jī)理的探討

1.引言

近幾年從事LED制造、和研發(fā)的人員大大增加。LED企業(yè)亦如雨后春筍般成長。由于從事LED驅(qū)動研發(fā)的企業(yè)和人眾多，其技術(shù)水平參差不齊，研發(fā)出來的LED驅(qū)動電路質(zhì)量好壞不一。導(dǎo)致LED燈具的失效時(shí)常發(fā)生，阻礙了LED照明的時(shí)常推廣。LED燈具失效一是來源于電源和驅(qū)動的失效，二是來源于LED器件本身的失效。本文試著從實(shí)際的LED電源驅(qū)動電路這一方面，分析其電路的工作原理，然后試著從在不同環(huán)境下的LED驅(qū)動電路下，分析各種工作敏感參數(shù)對失效的影響，來進(jìn)行失效模式的分析，最后，通過仿真來驗(yàn)證結(jié)果。并從理論上給出失效的解決方案。

2.LED驅(qū)動電路原理

LED是一種半導(dǎo)體材料制造而成發(fā)光二極管，只能夠單向?qū)?，而且其?dǎo)通電壓不高，正向?qū)娏饕膊荒芴?，所以對LED的供電電源有了一定的要求，這時(shí)LED驅(qū)動電路應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)際使用中，大多數(shù)的LED產(chǎn)品都是使用交變電源作為LED驅(qū)動電路的電源輸入，通過驅(qū)動電路變成穩(wěn)壓輸出形式或者恒流輸出形式的一種電路。LED驅(qū)動電路，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為很多類型，目前以電路的驅(qū)動原理，可以劃分為兩大類：一類為線性驅(qū)動電路，一類為開關(guān)型驅(qū)動電路。

2.1 線性驅(qū)動電路

線性驅(qū)動電路原理圖如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上一般都包含了以下的幾部分，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。

圖中運(yùn)用全波橋式整流，使交變電源整流成單向的脈動電壓。濾波電路采取RC濾波，由濾波電路濾波出來的電壓值已經(jīng)比較接近于直流電源了，但是，由于電網(wǎng)上的電壓波動，導(dǎo)致驅(qū)動電路的輸出電壓發(fā)生波動，這對于LED來講，是致命的。所以濾波之后的電壓需要加上一個(gè)穩(wěn)壓電路。以使線性驅(qū)動電路可以保持比較平穩(wěn)的電壓來驅(qū)動LED.

在線性驅(qū)動電路中，LED的亮度與通過電流成函數(shù)關(guān)系，而與加在LED上面的壓降無關(guān)。從上面的電路原理圖可以看出，線性LED驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，研發(fā)周期短，生產(chǎn)成本低，體積小巧，而且，由于沒有使用很多的大容量電容和電感，電路設(shè)計(jì)上不需要考慮EMI問題?？梢赃m用于低電流照明系統(tǒng)。

2.2 開關(guān)型驅(qū)動電路

開關(guān)型驅(qū)動電路原理圖如圖2所示，是將輸入的交變電壓通過整流電路整流和濾波穩(wěn)壓之后，通過開關(guān)狀態(tài)，來控制LED的電流或者電壓，使LED可以平穩(wěn)地發(fā)光。下面給出一個(gè)典型的開關(guān)型的驅(qū)動電路來逐步分析開關(guān)型驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。

從圖2可見，開關(guān)型L E D驅(qū)動電路可以劃分為以下的幾部分：低頻整流濾波電路、自激振蕩電路、穩(wěn)壓電路、取樣脈寬調(diào)整電路和高頻整流濾波電路等。

市電交流220V通過12V的變壓器降壓，然后經(jīng)過橋式整流二極管3N258和電容C2組成低頻整流濾波電路，轉(zhuǎn)換成一個(gè)類直流電電源。功率三極管Q1、Q2、Q3和電容C5電阻R2組成一個(gè)自激震蕩電路，其中Q2是PNP管，為脈寬調(diào)整管，Q1和Q3一個(gè)為PNP管，一個(gè)為N P N管，兩個(gè)管子復(fù)合組成開關(guān)調(diào)整器，C5、R2通過調(diào)整參數(shù)可以設(shè)置器振蕩頻率。利用這個(gè)自激振蕩電路，可以將類直流電源轉(zhuǎn)化為一個(gè)高頻的脈沖信號。高頻信號的頻率可以通過選頻特性算出?？梢哉{(diào)整高頻脈沖的占空比，來調(diào)整設(shè)備輸出的能量。電流流經(jīng)電感時(shí)，會在L的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)電流消失時(shí)，感應(yīng)電動勢會在電路的兩端產(chǎn)生一個(gè)反向電壓，若這個(gè)反向電壓大于某些元器件的反向擊穿電壓時(shí)，將會損壞這些器件。利用一個(gè)續(xù)流二極管D2并聯(lián)在電感的兩端，通過R4和C6組成的回路，使這個(gè)反向的感應(yīng)電動勢有一個(gè)泄通回路。

R 6、R 7、R 8組成的取樣電路和R 5、D3組成的基準(zhǔn)源電路用來對高頻信號進(jìn)行脈寬的調(diào)整，來調(diào)節(jié)開關(guān)管的飽和導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整電源的輸出電壓。其中R7為可調(diào)電阻，方便對這個(gè)電壓的調(diào)整。

從上面的分析可以看到，開關(guān)型LED驅(qū)動電路相比于線性驅(qū)動電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過調(diào)整脈寬來調(diào)整電流，輸出的電流精度十分高，使LED亮度可以受控，適用于與大型的照明場合和電流輸出比較打的場合。

3.LED驅(qū)動失效機(jī)理分析

3.1 LED驅(qū)動電路失效原因分析

(1)浪涌電流和浪涌電壓

由于驅(qū)動電路的開啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時(shí)間短，導(dǎo)致的瞬間大電流;由于電網(wǎng)上的電壓波動和浪涌電壓的沖擊，導(dǎo)致驅(qū)動電路上的二極管和電阻等器件的瞬間大電壓。這可能會對LED驅(qū)動電路上的器件造成永久性的損傷。

(2)靜電放電

靜電放電，即ESD現(xiàn)象。由于電量在極短的時(shí)間內(nèi)泄放，往往起靜電泄放電壓可以達(dá)到幾千伏特。這對于半導(dǎo)體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅(qū)動IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損毀。

(3)元器件使用失效

由于開關(guān)型驅(qū)動電路需要大電容來進(jìn)行存儲電能，穩(wěn)壓，而大電容一般使用鋁電解電容。鋁電解電容的失效率較其它元件高，而且由于變壓器和LED在使用時(shí)會產(chǎn)生熱量，這些熱量加劇電解電容的電解液的運(yùn)動，縮短了鋁電解電容的正常使用年限。

(4)工作環(huán)境導(dǎo)致

目前，主流的LED驅(qū)動是使用交變電源作為電源輸入的，對于一些大功率的LED驅(qū)動電路，其變壓線圈會產(chǎn)生大量的熱量，由熱量而產(chǎn)生了LED失效的溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的時(shí)間模型見下公式：

其中M為溫度應(yīng)力，T為溫度，t為時(shí)間。