愈來愈多發(fā)光二極體(LED)燈被運(yùn)用在室外，使得它們發(fā)生靜電放電(ESD)以及瞬時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定電流的風(fēng)險(xiǎn)越來越高，尤其是高亮度的LED燈，更易受到此類威脅的影響。
當(dāng)燈串中出現(xiàn)一個(gè)LED燈故障時(shí)，將使整個(gè)燈串都無法點(diǎn)亮。而被稱為“LED開路保護(hù)器”的新型裝置現(xiàn)已問世，但人們對(duì)其知之甚少。本文將討論何時(shí)使用它們，如何確定其規(guī)格，如何利用單個(gè)裝置保護(hù)多個(gè)燈串，進(jìn)而節(jié)約成本。
LED燈應(yīng)用廣泛
室外使用的高亮度LED燈隨處可見。越來越多的汽車和卡車尾燈選用LED燈簇制成，這是因?yàn)長ED燈抗震動(dòng)和抗沖擊，而不會(huì)熄滅。此外，由于LED燈可減少更換成本和用電成本，因此被用于路燈、交通訊號(hào)燈和機(jī)場(chǎng)跑道標(biāo)記燈。LED燈具有較高的可靠性、響應(yīng)速度快，因而也被制成廣告牌的巨幅電視屏幕。
作為低電壓裝置(一般情況下，紅色LED燈的正向電壓約2.7伏，藍(lán)色約4.1伏)，高亮度LED往往以串聯(lián)方式連接成燈串并且使用恒流電源供電。燈串可任意由5～20個(gè)單體LED燈組成。串聯(lián)的LED燈共用相同的電流，這就意味著各個(gè)LED燈之間的亮度均勻，并且較容易控制整組燈的亮度。
LED燈三大問題點(diǎn)
然而，LED燈具有三個(gè)主要的設(shè)計(jì)弱點(diǎn)，第一，LED燈會(huì)因溫度周期性變化而受到損害，作用到內(nèi)部接合線上的熱機(jī)械應(yīng)力能夠使LED燈退化，從而最終導(dǎo)致LED燈不亮。同時(shí)，振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致不亮。
另外，在電氣性能上，LED燈較易受損。因附近的閃電而引起的靜電放電或突波可以毀壞它們，并且靜電放電和閃電是在室外應(yīng)用環(huán)境中較為常見的。室外應(yīng)用的大多數(shù)LED燈使用開關(guān)電源，這類型的電源往往只能有限地防止輸入性突波。事實(shí)上，開關(guān)電源通常也需要對(duì)其自身進(jìn)行保護(hù)。
最后，如果燈串中的一個(gè)LED燈發(fā)生內(nèi)部短路，那么它會(huì)變暗。雖然燈串中的其他燈不會(huì)滅掉，但是短路的LED燈往往會(huì)產(chǎn)生熱積累，從而因連接線連接故障而最終導(dǎo)致斷路。然而，如果LED燈不亮，那么它會(huì)像老式節(jié)日燈串上的燈泡那樣，一個(gè)LED燈斷開而導(dǎo)致整條燈串不亮。這在廣告牌上只是比較刺眼，但是如果用在交通訊號(hào)燈或機(jī)場(chǎng)跑道標(biāo)記燈上，就會(huì)帶來安全隱患。更重要的是，在室外應(yīng)用情況中的許多LED燈距離較遠(yuǎn)，若不借助升降設(shè)備很難接近，這便增加燈串更換的成本。
保持LED燈亮 開路保護(hù)器顯威
因靜電放電和突波而對(duì)LED燈造成的損害可用MOV或TVS二極管予以防護(hù)，用保險(xiǎn)絲防止過電流。但這些裝置不能阻止燈串中單個(gè)LED燈斷路而導(dǎo)致整條燈串?dāng)嚯姟?br>
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，須要使用LED開路保護(hù)器，并且使保護(hù)器與燈串中的每一個(gè)LED燈并聯(lián)(圖1)或者與一組四個(gè)LED燈并聯(lián)。某個(gè)LED燈斷路時(shí)，它兩端的電壓會(huì)增加到電源的恒流輸出電壓上。在這種情況下，保護(hù)器會(huì)探測(cè)到電壓升高并且在達(dá)到其擊穿電壓VBR時(shí)啟動(dòng)，以分流故障LED燈周圍的電流，保持燈串中其余的燈仍然運(yùn)轉(zhuǎn)。一些LED開路保護(hù)器也可防止產(chǎn)生靜電放電和反向電壓。
圖1 如果LED燈不亮，那么它兩端的電壓將增加到電源的恒流輸出電壓上。
許多LED驅(qū)動(dòng)IC配有內(nèi)置式LED開路保護(hù)器，但這僅用于在負(fù)載電流下降為零時(shí)以及燈串中任一LED燈斷路時(shí)防止驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓達(dá)到損壞的程度，而不能夠保持燈串中的其他LED燈正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣，IC驅(qū)動(dòng)器或LED燈靜電放電防護(hù)功能不足以防止高達(dá)15kV的人體模型(HBM)形式的靜電放電。
如果電源反接LED燈串，則啟動(dòng)LED開路保護(hù)器的內(nèi)置式反向保護(hù)二極管，以保護(hù)LED燈。LED燈不會(huì)點(diǎn)亮，直到電源極性連接正確。
至于嘗試用矽控整流器(SCR)或齊納二極管代替LED開路保護(hù)器的做法并不周全。SCR往往較大，并且不具有任何靜電放電或反向極性保護(hù)功能。通常，SCR須要通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置觸發(fā)電壓，其觸發(fā)電壓相對(duì)于溫度的變化是非常大的。
另外，無論是外接齊納二極管亦或是LED燈內(nèi)置式齊納二極管，都不具有任何防止斷路或反向極性的功能。不僅如此，如果LED燈斷路，齊納二極管會(huì)傳導(dǎo)全部電流并且所產(chǎn)生的熱量也可能縮短齊納二極管和附近LED燈的使用壽命。
LED開路保護(hù)器選用評(píng)估
第一步為確定被保護(hù)LED燈的規(guī)格參數(shù)：正向電壓Vf和正向電流If，以及它們的線路連接方案(單獨(dú)保護(hù)或者二、三或四個(gè)LED燈分組保護(hù))。
根據(jù)LED燈串的LED燈數(shù)量，計(jì)算整個(gè)燈串的正向電壓降，這將決定LED開路保護(hù)器啟動(dòng)的恒流輸出電壓。單個(gè)LED燈的電壓降不得超過LED開路保護(hù)器的關(guān)態(tài)電壓。如果LED開路保護(hù)器用于多個(gè)LED燈，那么所有并聯(lián)LED燈的電壓降總和不得超過LED開路保護(hù)器的關(guān)態(tài)電壓。
檢查電源的恒流電源值?；谙铝懈鞣矫?，選擇LED開路保護(hù)器的電壓、電流等規(guī)格參數(shù)：
．LED開路保護(hù)器的開態(tài)電壓必須低于電源的恒流輸出電壓；當(dāng)一個(gè)LED燈斷路時(shí)，方可啟動(dòng)保護(hù)器。
．LED開路保護(hù)器的合閘電流必須低于電流源值，方可穩(wěn)定地開啟保護(hù)器。
．確保LED開路保護(hù)器的切換電流和維持電流，在LED燈和LED開路保護(hù)器整個(gè)操作溫度預(yù)期范圍內(nèi)，以及不同LED顏色和亮度情況下均能被滿足(請(qǐng)注意，這里是指裝置的溫度而非環(huán)境溫度)。
．為了節(jié)約成本，LED保護(hù)器可對(duì)兩、三個(gè)LED燈進(jìn)行分組保護(hù)，并相應(yīng)地選擇LED開路保護(hù)器；6伏時(shí)啟動(dòng)的保護(hù)器可保護(hù)一個(gè)LED燈；9伏的保護(hù)器可用于保護(hù)一對(duì)LED燈(圖2)；13伏的保護(hù)器可用于3個(gè)一組的LED燈，而18伏的保護(hù)器可用于四個(gè)LED燈。請(qǐng)注意：在此情況下，一個(gè)LED發(fā)生故障時(shí)會(huì)分別導(dǎo)致二、三或四個(gè)LED燈熄滅。
圖2 LED開路保護(hù)器可用于兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)LED燈的分組保護(hù)。在此圖例中，保護(hù)器的觸發(fā)電壓為9伏，高于兩個(gè)LED燈的正常工作電壓6伏。
在某些應(yīng)用情況下，降低亮度是非常重要的。當(dāng)正向電壓變化時(shí)，某些LED燈會(huì)發(fā)生顏色變化，但是脈沖寬度調(diào)變(開關(guān)模式)的亮度降低可防止此種情況的發(fā)生。同時(shí)確保所選用的LED開路保護(hù)器與所采用的調(diào)暗模式相兼容。
包裝和環(huán)境考慮因素
其次，LED開路保護(hù)器應(yīng)選擇適合照明產(chǎn)品使用環(huán)境的包裝；確定LED開路保護(hù)器的環(huán)境溫度并且在需要的情況下提供適當(dāng)?shù)纳嵝阅?。在一般?yīng)用情況下(350mA電源恒流輸出和1.1伏保護(hù)器電壓降)，觸發(fā)保護(hù)器時(shí)，功率損失為385mW。 當(dāng)這低于LED燈或者保護(hù)器所連接的LED燈的開態(tài)功耗時(shí)，保護(hù)器可能或者不可能需要散熱。例如，在此情況下，假設(shè)保護(hù)器的環(huán)境連接熱電阻為100℃/W(無散熱)，此保護(hù)器的溫度會(huì)升高至38.5℃；假設(shè)保護(hù)器的最高工作溫度為85℃，則在環(huán)境溫度高于46.5℃時(shí)均需散熱。為了安全起見，該溫度值應(yīng)該降低至30℃左右。
經(jīng)所有計(jì)算后，通過用被保護(hù)LED燈分流的方式測(cè)試LED開路保護(hù)器且依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢查測(cè)試結(jié)果。最后，值得注意的是，LED開路保護(hù)器可用于安裝在串聯(lián)燈串中的單個(gè)LED燈或多個(gè)LED燈，同時(shí)也適用由共陰極驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)燈串(在此配置中，LED開路保護(hù)器可防止進(jìn)入并聯(lián)燈串的過電流)，但不適用于多條燈串之間交叉連接的矩陣式排布。
(本文作者Teddy To為Littelfuse技術(shù)營銷經(jīng)理；Phillip Havens為Littelfuse技術(shù)營銷及應(yīng)用經(jīng)理)
