LED過流過熱解析

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。發(fā)光二極管(LED)技術(shù)已經(jīng)取得了快速的進(jìn)展，而芯片設(shè)計(jì)和材料的改進(jìn)促進(jìn)了更亮、更耐用光源的開發(fā)，使光源應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。節(jié)能意識(shí)不斷的增強(qiáng)也加速了LED照明技術(shù)的普及。

如今LED燈正憑借許多優(yōu)勢(shì)迅速取代傳統(tǒng)照明方式，首先新型LED燈泡擁有從0.83～7.3瓦的低功耗以及可使用5萬小時(shí)的壽命;而LED燈泡耐熱、抗震，即開即用的特性，適合需要頻繁開關(guān)操作的場(chǎng)合，有助于滿足安全和綠色倡議;LED不含汞，燈泡摸上去不燙手，并可充分調(diào)光;且燈泡不會(huì)變色，而白熾燈在調(diào)光時(shí)會(huì)發(fā)黃;最后是采用不會(huì)干擾到無線電和電視訊號(hào)的電源安定器。雖然這項(xiàng)技術(shù)正在不斷普及，但LED照明廠商仍須繼續(xù)克服LED光源熱敏感性強(qiáng)的難題。熱量過多或應(yīng)用不當(dāng)都會(huì)使LED光源的性能大打折扣。

散熱管理決定LED壽命

使用一個(gè)60瓦白熾燈泡的燈具大約產(chǎn)生900流明照度，必須通過傳導(dǎo)耗散3瓦熱量。使用典型直流LED作為光源達(dá)到相同的900流明照度只需要十二個(gè)LED。假設(shè)順向電壓(VF)為3.2伏特，電流為350毫安，該燈具的輸入功率可按下列公式1計(jì)算：功率=12x3.2伏特x350毫安=13.4瓦………公式1在此情況下，約20%輸入功率轉(zhuǎn)換為光，80%則轉(zhuǎn)換為熱。這取決于多種因素，發(fā)熱可能與底層不規(guī)則以及聲子發(fā)射、密封、材料等有關(guān)。在LED產(chǎn)生的總熱量中，有90%透過傳導(dǎo)傳輸。表1為耗散來自LED接面的熱量，傳導(dǎo)是導(dǎo)熱的主要通道，因?yàn)閷?duì)流和輻射僅占全部熱傳輸約10%。

比如一個(gè)LED可能轉(zhuǎn)換近10.72瓦熱量(13.4瓦×0.8)。其中，9.648瓦(10.72瓦×0.9)透過傳導(dǎo)從LED接面?zhèn)鬏敾蜻w移。顯然，LED光源需要精確的功率和熱管理系統(tǒng)，因?yàn)榕c其他光源相比，提供給LED的電能大部分轉(zhuǎn)換為熱量。如果沒有適當(dāng)?shù)臒峁芾?，這種熱量會(huì)影響LED壽命和色彩輸出。同時(shí)由于LED驅(qū)動(dòng)裝置屬于硅組件，很快就會(huì)失效，因此必須配備故障安全備用過電流保護(hù)裝置。

LED的光學(xué)性能因溫度不同而呈現(xiàn)明顯的差別。LED的發(fā)光量隨接面溫度升高而減少，對(duì)某些技術(shù)而言，發(fā)射波長(zhǎng)也會(huì)隨溫度而變化。如果不對(duì)驅(qū)動(dòng)電流和接面溫度加以適當(dāng)控制，LED效率會(huì)迅速下降，造成亮度減弱、壽命縮短。與接面溫度有關(guān)的另一個(gè)LED特性是順向電壓(圖1)，VF為經(jīng)過LED順向壓降，當(dāng)傳導(dǎo)開始時(shí)，VF約為2伏特(對(duì)于紅色LED)和3.5伏特(對(duì)于藍(lán)色LED);TF為在PN接面上，LED內(nèi)部的溫度。

如果該溫度過高，LED將損壞;Ij為經(jīng)過LED的順向電流。如果僅使用一個(gè)簡(jiǎn)單的偏壓電阻控制驅(qū)動(dòng)電流，VF將隨溫度升高而下降，驅(qū)動(dòng)電流增大。尤其對(duì)大功率LED而言，這將導(dǎo)致熱崩潰，并造成組件失效。常見的做法是透過將LED安裝在金屬芯印刷電路板(PCB)上加速導(dǎo)熱，從而控制接面溫度。電線耦合瞬態(tài)和涌流也會(huì)減少LED壽命，許多LED驅(qū)動(dòng)裝置很容易因直流電壓和極性錯(cuò)誤而受損，LED驅(qū)動(dòng)裝置的輸出也會(huì)因短路而受損或毀壞。多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)裝置含有內(nèi)置安全功能，包括熱關(guān)機(jī)以及LED開路和短路檢測(cè)。但是，要保護(hù)IC和其他敏感電子組件，可能需要額外的過流保護(hù)組件。

圖1 順向電壓隨接面溫度升高而下降

輸入/輸出保護(hù)防止負(fù)載異常

LED是透過定電流驅(qū)動(dòng)的，其順向電壓介于2～4.5伏特之間，與顏色和電流有關(guān)。舊式設(shè)計(jì)依靠簡(jiǎn)單電阻器限制LED驅(qū)動(dòng)電流，但是基于廠家規(guī)定的典型順向壓降設(shè)計(jì)LED電路會(huì)導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)裝置過熱。當(dāng)經(jīng)過LED的順向壓降下降到遠(yuǎn)低于典型規(guī)定值的水平時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。在這類事件中，經(jīng)過LED驅(qū)動(dòng)裝置的電壓升高可能導(dǎo)致來自驅(qū)動(dòng)裝置封裝的總功率耗散更高，因此對(duì)性能或壽命產(chǎn)生不利影響。

目前，多數(shù)LED應(yīng)用利用功率轉(zhuǎn)換和控制組件連接各種功率源，如交流電線、太陽能電池板或電池，來控制LED驅(qū)動(dòng)裝置的功率耗散。對(duì)這些接口加以保護(hù)，防止它們因過流和過溫而受損，常常用到具有可復(fù)位能力的聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)組件(圖2)?？梢耘c功率輸入串聯(lián)一個(gè)PolySwitch LVR組件，防止因電氣短路、電路超載或用戶誤操作而受損。此外，放在輸入端上的金屬氧化物變阻(MOV)也有助于LED模塊內(nèi)的過壓保護(hù)。

圖2 開關(guān)模式電源的典型電路保護(hù)設(shè)計(jì)

PolySwitch LVR也可以放置在MOV之后。許多設(shè)備廠商選擇能保護(hù)電路與具備上游故障安全保護(hù)的可重設(shè)定PolySwitch組件組合。在本例中，R1是與保護(hù)電路組合使用的鎮(zhèn)流電阻，LED驅(qū)動(dòng)裝置容易因直流電壓和極性錯(cuò)誤而受損，輸出也會(huì)因有害短路而受損或毀壞，帶電埠也容易因過壓瞬態(tài)受損，包括靜電放電(ESD)脈沖。圖3表示針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)裝置和燈泡數(shù)組的典型電路保護(hù)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)裝置輸入上的PolyZen組件既為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡(jiǎn)單性，同時(shí)又避免了對(duì)大量散熱片的需求。該組件有助于單個(gè)、小型封裝內(nèi)的瞬態(tài)抑制、反向偏壓保護(hù)和過流保護(hù)。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)裝置輸入和輸出的協(xié)同保護(hù)方案

驅(qū)動(dòng)輸出上的PolySwitch組件有助于防止因有害短路或其他負(fù)載異常而受損，為了充分發(fā)揮PolySwitch組件的作用，可以與金屬芯電路板或LED散熱片熱接，此外，與LED并置的PESD組件也可以對(duì)靜電放電加以保護(hù)。

第二類功率源增加設(shè)計(jì)彈性

在照明系統(tǒng)中采用第二類功率源可成為降低成本、提高彈性的重要因素之一。固有的有限功率源，如變壓器、電源供應(yīng)器或電池等，可以包含保護(hù)組件，只要不依靠它們限制第二類功率源的輸出即可。非固有型的有限功率源，按照定義，具有一個(gè)分立保護(hù)組件，當(dāng)電流和能量輸出達(dá)到預(yù)定值時(shí)它會(huì)自動(dòng)中斷輸出，各種電路保護(hù)組件都有助于提供LED照明應(yīng)用第二類功率源的安全操作。圖4表示了一種協(xié)同保護(hù)策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個(gè)MOV，在輸出電路分支上采用了一個(gè)PolySwitch組件，可以幫助廠商滿足UL 1310第35.1小節(jié)針對(duì)開關(guān)和控制裝置的過載試驗(yàn)要求。

圖4 第二類功率源的協(xié)同保護(hù)方案

可重設(shè)PPTC組件可以防止因LED照明應(yīng)用中過流和過溫故障造成的損害，MOV過壓保護(hù)組件有助于廠家滿足各種安全機(jī)構(gòu)的要求，可提供大電流輸送和能量吸收能力，并快速響應(yīng)過壓瞬態(tài)。與多數(shù)ESD保護(hù)組件相比，PESD組件電容極低，約0.25皮法，并且具有電子行業(yè)最普遍的形狀系數(shù)。PolyZen組件既為設(shè)計(jì)人員提供了傳統(tǒng)鉗位二極管的簡(jiǎn)單性，同時(shí)又避免了對(duì)大量散熱片的需求。

這種單元件方案可以對(duì)因電源使用不當(dāng)導(dǎo)致的受損提供保護(hù)，并具有瞬態(tài)抑制、反向偏壓保護(hù)能力，也可防止因過流事件而受損。在協(xié)同保護(hù)方案中使用這些組件可以讓設(shè)計(jì)人員減少組件數(shù)量，提供安全可靠的產(chǎn)品，滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求，并減少保固和維修成本。相信在未來的科學(xué)技術(shù)更加發(fā)達(dá)的時(shí)候，LED會(huì)以更加多種類的方式為我們的生活帶來更大的方便，這就需要我們的科研人員更加努力學(xué)習(xí)知識(shí)，這樣才能為科技的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。