串联LED照明的电路保护优化策略

串联发光二极管照明电路保护的优化策略关键词：发光二极管照明电路保护背光显示开路保护器作者：菲利普海文斯，吉姆科尔比和泰迪托，利特弗斯发光二极管是一种易碎的器件，容易受到热、机械冲击、静电放电和闪电的威胁，尤其是在户外应用中。随着使用照明和背光显示的发光二极管串的数量持续增加，R&D工程师需要更加关注发光二极管串的可靠性。高亮度发光二极管由于其蓝宝石衬底，对附近雷击引起的电压瞬变非常敏感。即使在家庭应用中，发光二极管串仍然需要静电放电保护装置，以确保整个组件的长期可靠性能。在没有电路保护的情况下，如果一个串联的发光二极管出现故障，电路断开，所有其他发光二极管灯将关闭。发光二极管照明系统保护许多保护装置可用于电源和发光二极管驱动。目前，也有许多出版物可以为选择提供指导。图1的电路示出了在发光二极管路灯照明系统中开关电源保护的情况。在该电路中，交流保险丝提供基本的防火保护，以避免由重要系统故障引起的过电流，但它必须能够承受3KA至6KA以上的电涌而不出现开路。如果下游元件出现故障，交流保险丝适用于DC-DC转换器或发光二极管驱动电路中的快速过电流保护。图1:包括与开关电源(SMPS)相关的保护装置的1:发光二极管街道照明电路的示例。在电路的交流输入端，还必须处理过压事件和电压瞬变。它们通常由附近的雷击引起，但也可能由电力线的瞬态变化引起。过压条件下的典型保护装置是金属氧化物变阻器(MOV)，它可以与瞬态电压抑制器(TVS)结合使用。用于电源保护的电路也需要与地面隔离，以防止可能的电击危险(这些要求包含在IEC/UL 60950-1、UL 1449和IEC/UL 6500标准中)。图2显示了满足这些要求的解决方案。这种设计包括一个含有瞬态电压传感器的金属氧化物变阻器。图2:发光二极管照明的电源输入过压保护方案示例。此外，对于发光二极管驱动芯片，还应考虑过压保护。适当的去耦电容，以及针对线路驱动器的TVS器件，将提供非常稳定的设计。一些发光二极管驱动器制造商包括一个检测开路发光二极管串的电路，但该电路不应与保护串的电路相混淆，或者如果发光二极管出现故障，保持发光二极管串处于执行状态。单个发光二极管保护当单个发光二极管未能断开时，发光二极管串内部的旁路保护装置(图3)使该串能够继续执行。通过限制整个发光二极管串上的任何过量电流或电压，有助于保护发光二极管驱动器。在保护单个发光二极管时，有必要在发光二极管串中安装一个串行电路分支。选择正确的保护装置非常重要。这必须首先了解潜在的发光二极管故障机制和不同类型保护装置的工作原理。这种理解有助于电路设计人员选择合适的器件，包括当一个发光二极管因开路而出现故障时，能够保持串联发光二极管串仍在运行的器件。图3:使用适当的旁路保护装置来保护发光二极管串中的单个发光二极管不仅能够使发光二极管串持续发光，而且有助于保护发光二极管驱动器免受由发光二极管故障引起的过电流和过电压。发光二极管控制和故障模式串联发光二极管串由？恒流驱动？恒定电流由驱动全亮度、色彩和亮度的开关电源产生。应该吗？恒流源可以对发光二极管串组的亮度进行更好的控制，实现发光二极管之间更均匀的亮度。发光二极管是一种易碎的固态元件本质上是一种具有pn结结构的二极管，当正向偏置时会发光。发光二极管的失效机理通常来自机械和热源，包括热循环、热冲击和高温下执行的发光二极管(可能导致焊丝焊接老化和失效)。随着时间的推移，金属会氧化并变脆，发光二极管失效的可能性会增加。此外，由静电放电事件或附近雷击引起的突波也是导致发光二极管故障的常见原因。保护装置的电路参数选择发光二极管保护装置的主要参数是单个发光二极管的额定电流和功率、正向工作电压和发光二极管驱动器？恒流输出电压。典型的高亮度发光二极管额定功率在1W和3W之间。高亮度发光二极管在额定功率下的最大电流消耗可通过以下公式简单确定：其中I为电流，P为发光二极管的额定功率，VF为发光二极管的直流电压。发光二极管可以在不同的额定功率范围内使用，因此这些值也相应不同。同时，发射不同波长(颜色)的发光二极管具有不同的电压降。例如，红色发光二极管的VF通常较低，比白色发光二极管消耗更多的电流。主要的可靠性问题是，如果高亮度发光二极管不能形成开路，如何连续操作高亮度发光二极管串。在需要高度可靠光源的应用中，这个问题至关重要。许多户外应用都远离地面，所以一个小事故就可能成为一个大问题。在发光二极管的串联连接中，单个高亮度发光二极管的开路故障可能导致巨大的费用和不便，因为整个组件必须被修理。潜在发光二极管旁路保护装置分析为了保护单个高亮度发光二极管，并防止当单个高亮度发光二极管串联失效时整个高亮度发光二极管熄灭，必须在高亮度发光二极管终端安装旁路保护装置。有许多设备可以考虑，包括变阻器(MOV)，可控硅整流器(可控硅)，齐纳二极管，聚合物静电放电保护器和发光二极管开路保护器。变阻器最适用于相对高能量的电力线瞬变，尤其是由雷击和大电感负载切换引起的瞬变。遗憾的是，这些设备无法快速响应，也无法保护发光二极管免受低电平瞬变(可能导致发光二极管故障)的影响。此外，如果发光二极管未能形成开路，变阻器无法为电流提供路径，因此整个发光二极管串将被关闭。变阻器产生的热量也可能是发光二极管的一个问题。在发光二极管出现故障的情况下，可控硅可以安排电流改变路径，使其余的发光二极管串持续发光。然而，这些器件是一些大型器件，通常需要电阻分压来设置触发电压。可控硅的触发电压在不同的温度下会有很大的变化。此外，反向阻断电压过高，可控硅不能提供反向极性保护。齐纳二极管虽然齐纳二极管通常比可控硅小得多，但还有其他问题。当发光二极管不能形成开路时，齐纳二极管必须传导串联灯串中的所有电流。大多数齐纳二极管的额定电流相对较低，因此在这类应用中，它们的寿命相对较短。齐纳二极管还会导致微环境热事件，这可能会导致更多的发光二极管故障。像发光二极管串一样，聚合物静电放电保护器通常专用于高速数字电路，而不是DC线性保护。与硅器件相比，它们具有更高的动态电阻，因此箝位电压太高，无法保护脆弱的发光二极管。此外，它们不能提供过载保护或反极性保护。发光二极管开路保护器这些装置是专门设计的，用于在发光二极管出现故障时，保持串联发光二极管串的其余部分正常运行。它们是安装在每个发光二极管终端的紧凑型硅基器件。作为旁路装置，它们可以在打开的发光二极管周围安排一条路径来发送电流，这样发光二极管串的其余部分仍然持续发光。一些发光二极管开路保护器还提供静电放电/照明和反极性保护，因此降低了照明电路的成本，并且不需要额外的保护元件。发光二极管开路保护器操作发光二极管开路保护器是在发光二极管内部触发的两个终端设备。如果指示灯自行维修或更换，它将自动复位。该保护器是一个低泄漏电压触发开关，类似于毫安开关。当它被触发时(图3)，它变成低阻抗毫安开关，这可以大大降低功耗。处于通道状态的发光二极管下降约0.7V，这不足以打开保护器。一旦发光二极管未能形成开路，就有足够的电路电压触发保护器进入路径状态(？恒流输出电压由发光二极管驱动电路提供)。图3所示的PLED6系列还具有内置浪涌电阻的特点，这有助于保护LED免受附近雷击或静电放电事件引起的浪涌。图4:典型发光二极管开路保护器的伏安特性。以Littelfuse PLED6系列器件为例，说明其作为典型的发光二极管开路保护器的作用。图4显示关键参数是VBR、信息系统、IH、信息技术和虚拟技术。如伏安曲线所示，VBR定义了器件的关断电压额定值和击穿电压额定值之间的区域。在关断状态下，VBR是适用于该器件的DC电压和交流电压的连续峰值组合，导致通过该器件的电流小于5A(从6到33V DC的所有最小VBR额定值都是可行的)。“是”是当应用最低VBR时，可以使设备从关闭状态切换到打开状态的当前值。Ismax通常为100毫安。持续电流(IH)是维持设备处于路径状态的最小电流需求(通常为5mA)。路径状态电压(VT)是器件在完全导通期间的最大电压。它是在路径状态下，在两秒钟内可以通过设备的最大额定电流(最大值为1A)。发光二极管串电流通常比这个值低得多，因此保持发光二极管开路保护器。理想情况下，在发光二极管开路保护方案中，每个发光二极管都有一个保护装置。然而，“低成本”保护计划也可能发挥作用。例如，当选择合适的发光二极管开路装置时，可以在两个串联的发光二极管上安装一个PLED。一个指示灯故障可能导致两个指示灯变暗，但这可以节省一半的电路保护成本。图5: v-I曲线显示了第三象限的极性保护能力。结论照明设备制造商正在向制造发光二极管的方向转变，因为发光二极管设备成本低、性能高、维护量小，使用寿命可达数万小时。然而，它们仍然需要防静电保护，特别是在高度可靠的应用中，例如部署在恶劣环境中的安全关键型照明设备。事实上，与传统照明设备相比