LED灯具损坏的常见原因及解决方案

    将高功率白光LED作为新型绿色照明时，将拥有诸如光转换效率高、功耗低，寿命长，无需维护等优点，因而逐渐被应用于各种照明领域。led的长使用寿命是基于其安全的工作环境。对于LED照明来讲，主要有两种威胁影响其寿命；一种是过电冲击，此处的过电冲击就是LED上施加的电流超过该LED技术数据手册中的最大额定电流，包括过压引起的过电流冲击；另一种则是过热损伤。这些损坏可以表现为组件的立即失效，也可能发生在过电冲击事件后许久才失效，缩短LED工作寿命。
 
　　LED灯具损坏的原因

　　LED灯具失效一是来源于电源和驱动的失效，二是来源于LED组件本身的失效。通常LED电源和驱动的损坏来自于输入电源的过电冲击(EOS)以及负载端的断路故障。输入电源的过电冲击往往会造成驱动电路中驱动芯片的损坏以及如电容等被动组件发生击穿损坏；而负载端的短路故障则可能引起驱动电路的过电流驱动，驱动电路可能发生短路损坏或有短路故障导致的过热损坏。
　
　　LED组件本身失效的情况

　　瞬态过电流事件 

　　瞬态过电流事件，是指流过LED的电流超过该LED技术数据手册中的最大额定电流，这可能是由于大电流的直接产生，也可能是因高电压间接产生，如瞬态雷击，开关电源的瞬态开关噪声，电网波动等过压事件引起的过流。这些事件都是瞬态的，持续时间极短，通常我们将其称为尖峰，如“电流尖峰”，“电压尖峰”。造成瞬态过流事件的情况还包括，LED接通电源或是带电插拔时的瞬态过电流。

　　对于在汽车中的LED照明，ISO7637-2的瞬态抛负载突波冲击，则是其正常工作的一个重要威胁。

　　LED遭受过电冲击后的失效模式并非固定，但通常会导致焊接线损坏，如图1所示。这种损坏通常由极大的瞬态过电流引起，除了导致焊接线烧断外，还可能导致靠近焊接线的其他部分损坏，例如密封材料。 

静电放电事件 

　　ESD损坏是目前高整合半导体组件制造，运输和应用中最为常见的一种瞬态过压危害，而LED照明系统则需要满足IEC61000-4-2标准的“人体静电放电模式”8KV接触放电，以防止系统在静电放电时有可能导致的过电冲击失效。 
 
　　LED PN结数组性能降低或损坏，如图2所示，ESD事件放电通路导致的LED芯片的内部失效，这种失效可能只是局部功能损坏，严重的也会导致LED的永久损坏。 

　　过热损坏 

　　对于接近80%能量转化为热量消散的LED照明设计来讲，热管理和故障过热保护是其面临的一个重要课题，理论和实践都已经证明，LED的性能和寿命是与LED的pn结工作温度紧密相关的。当LED芯片内结温升高10℃时，光通量就会衰减1%，LED就减少寿命50％。
 
　　电源及驱动电路的防护

　　由于LED电源和驱动电路容易遭受过电冲击和短路故障损坏，因此在驱动电路设计中，需要充分考虑各种故障状态的保护措施，以提高电路的可靠性，降低回修率（图3）。 

　PPTC在LED照明中的过流保护和过热保护 

　　虽然很多高端LED驱动组件逐渐整合了过电流、过温等保护功能，但在许多场合，特别是过热保护方面，仍然需要分立组件方案作为协同保护方案，以使得灯具具有更高的可靠性和更长的寿命。

　　PPTC就是指高分子聚合物正温度热敏电阻，是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过（或组件处于正常环境温度）时，PPTC呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过（或环境温度升高）时，大电流（或环境温度升高）所产生的热量使聚合物迅速膨胀，切断了导电粒子所构成的导电通路，PPTC呈高阻状态；当电路中过电流（超温状态）排除后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PPTC又呈现初始的低阻状态。PPTC的体积小，成本低，可反复使用，因而能实现保护功能的自动启动和自动恢复。

　　在LED照明中，根据灯具应用场合的不同有不同的过热保护要求，通常分为两种，分别为达到规定温度立即断开关断保护（图4），此种保护通常应用于道路交通号志；另外则是到达一定温度时启动保护，进行降电流驱动（图5），此种保护通常应用于室内照明和道路照明。 

图4

图5

在串联相结合的巨型数组照明、或景观灯的过电流和过热保护在成本与保护方案的相互平衡中，通常有两种保护方案可用：

　　1.分路保护（图6）。对于多串的LED系统，我们可以在每隔支路上串联一颗 PPTC分别进行保护。这种方式的好处是可以实现精确保护，不会因为某一支路的故障而导致整个灯具的不工作，保护的可靠性好。 

　　2.主干路保护（图7）。这种保护就是在灯具的主回路上串联一颗PPTC，对整个灯具进行保护。这种方式的好处是成本低，占板面积小。 

  此外，PPTC可以作为温度传感器与LED驱动器配合使用，实现LED数组照明的过热保护（图8），在大型数组照明中，由于LED灯串众多且结构较为复杂，在实际应用中容易出现过热故障的位置往往并不固定于某个特定的位置。因此，单颗过热检测组件很难提供完善的过热保护。而PPTC在正常工作下的低电阻，以及它的正温度系数特性，可以方便的将数颗PPTC串联于热保护检测电路，实现多点过热监控。将多个PPTC串联、并物理安装于可能出现过热的部位，由于PPTC的低电阻，THRM引脚位准为0，电源电路正常工作；当灯具某处或多处发生过温故障时，THRM回路中的一颗或几颗PPTC受热，电阻急剧上升，THRM引脚位准变为高位准，从而启动LED驱动器设计的过热保护方案，实现过热关断或过热折减驱动。这种解决方案对于LED面光源的过热保护可谓经济且有效。

 
 

　　结论

　　PPTC由于其本身的诸多特点，非常适合于LED照明系统的过电流和过热保护，在设计中可以将PTC安装在金属芯电路板或LED散热板以实现最佳的热传导，使PPTC保护更加实时、有效；此外，PPTC产品的封装形式多样，能根据客户要求订制封装，具备高度弹性。但过热保护没有标准解决方案，具体设计必须结合实际灯具，并进行充分验证。泰科电子非常乐意与业界工程师一起根据实际情况研究解决方案，以降低LED照明系统的故障率和维护成本。