保持灯亮：LED照明系统ESD和热保护

LED 照明系统的质量自发明以来一直是一个问题，这也是它们早期未被用作家用照明系统的原因之一。近年来，全球 LED 灯的安装量呈指数级增长，这主要归功于 LED 照明的承诺：长寿命、高能效和节约成本。美国能源部网站称，LED 灯泡的使用寿命是传统灯泡的 25 倍以上。尽管 2012 年美国安装了超过 5000 万盏 LED 灯，但许多 LED 在短短几个月内就失效，引起了消费者的愤怒。

2013 年，由于 LED 照明系统技术的进步，第一个 LED 灯泡获得了能源之星认证。获得能源之星认证的 LED 灯泡意味着该系统已满足可靠性、性能和节能要求——这是一个巨大的要求转变。

工程师如何能够满足能源之星认证要求并克服过去阻碍 LED 系统的许多障碍？随着技术的进步，保护装置能够更好地抵御 LED 照明系统性能和可靠性的主要威胁。通过确定最适合应用要求的保护器件并将其集成到 LED 设计中，工程师能够抵消对 LED 系统的威胁，例如静电放电 (ESD) 和热问题。让我们来看看使用高质量的保护器件——尤其是二极管、变阻器和热敏电阻——如何有助于提高 LED 的可靠性、性能、能效和成本节约，进而，

LED 系统概述

LED 灯泡（或更专业地说，灯具）由三个基本子系统组成：LED 电源、电网电源输入连接和 LED 引擎。LED 引擎可以进一步细分为 LED 阵列、LED 驱动器和控制单元。

在过去几年中，智能 LED 灯具由于具有远程控制和维护等功能而受到欢迎。因此，第四个子系统——通信电源和接口——通常集成到灯具中。该设计允许客户部署智能网络照明系统，最大限度地提高照明效率和质量，并跟踪每个灯具的状态以进行维护。

影响 LED 质量的因素

有几个因素会影响固态照明，包括应力、封装相关和组件相关问题。设计和制造 LED 照明系统的公司必须考虑这些因素。影响 LED 照明系统可靠性的主要威胁有五个：

静电放电 (ESD) 事件，包括闪电

瞬态过流和浪涌

热插拔期间的电流和电压尖峰

反向电压效应

热问题，例如长时间在高温下运行

为使 LED 照明系统可靠，所有组件和子系统都必须在组装、维护和操作期间得到充分保护，免受这些危险。

LED保护解决方案

随着 LED 照明系统技术的成熟，工程师们开始将高质量的保护器件集成到他们的 LED 设计中，以防止高能量和低能量浪涌、ESD 事件和热应力对 LED 阵列、它们的电源和控制电路产生不利影响。这些保护装置的集成使 LED 照明系统具有更高的可靠性、更低的维护成本和更长的产品使用寿命。

通过评估 LED 设计的应用要求，工程师可以确定最合适的保护器件来提高 LED 的性能和可靠性。图 1显示了工程师如何在 LED 灯具的系统架构中使用二极管、变阻器和热敏电阻的示例。

图 1：带有 ESD 和热保护装置的基本 LED 照明系统架构。（来源：TDK 公司）

二极管和变阻器

二极管和压敏电阻器（也称为变阻器）的开发旨在应对许多应用的独特设计挑战。这些解决方案通常坚固耐用，占地面积小得多，并且可以防止某些类型的浪涌电流。

TDK Corporation 的 EPCOS CeraDiode® 设计用于以比瞬态电压抑制 (TVS) 二极管更好的速率吸收高能量，并且占位面积更小（图 2）。该产品 80% 的元件体积用于吸收能量 ESD 事件，优于标准 TVS 二极管的 30%，并且具有相同的性能。因此，如果非标准部件有助于最大限度地减少空间需求并提供相同或改进的性能，则应予以考虑。这在需要小型化、可靠保护和高性能的应用中尤为重要。

图 2：用于防止 ESD 事件的专用或非标准组件示例。（来源：TDK 公司）

热敏电阻

热敏电阻或热敏电阻器是用于测量温度的高精度传感器。有两种类型的热敏电阻：

负温度系数热敏电阻 (NTC)

正温度系数热敏电阻 (PTC)

这两种热敏电阻的区别在于，NTC 热敏电阻的电阻会随着温度升高而降低，而 PTC 热敏电阻的电阻会随着温度升高而升高。

NTC 热敏电阻采用表面贴装设计 (SMD) 封装，可防止 LED 阵列过热，并有助于在峰值流明效率下控制其温度曲线。NTC 热敏电阻通过自动调节 LED 的电流来提供热保护。与智能电路一起，它们可以实现有效的控制系统（图 3）。

图 3：不带 IC 的温度补偿 LED 驱动器示意图。（来源： TDK 公司）

在没有集成电路的温度补偿 LED 驱动器设计中，PTC 热敏电阻可以通过将它们串联到 LED 来降低正向电流的高温。在这样的设计中，大部分 LED 电流流经 PTC 热敏电阻。

发光二极管设计

工程师可以通过将保护器件集成到他们的设计中来防止对 LED 可靠性产生不利影响的因素。以下是一些示例，说明将保护器件集成到 LED 设计中如何抵消对 LED 照明系统的主要威胁。

静电放电

LED 引擎可以由数百个 LED 组成，这些 LED 通常是串联串、并联串或两者的组合。如果串联灯串中的一个 LED 发生故障，则整个系列都会发生故障。这是因为串联灯串中的 LED 会产生天线效应，使阵列对 ESD 事件更加敏感。多层变阻器可以防止此类事件发生。

针对 ESD 和瞬态干扰的双向保护

多层变阻器是针对 ESD 和瞬态干扰的双向保护的绝佳选择。典型的 TVS 二极管本质上是单向的，因此有必要在两个二极管中进行设计。然而，压敏电阻作为具有相同保护的单个元件提供双向保护。在这种情况下，变阻器将为设计提供尺寸和成本优势。

高能浪涌

工程师意识到他们需要一种方法来防止 ESD 事件和高能浪涌影响灯具。这些浪涌会导致直接故障（通常在连接处）和潜在损坏导致的退化率增加。四个子系统中的每一个都可能暴露于导致此类损坏的事件。

压敏电阻长期以来一直是过压保护的首选解决方案。这是因为电阻随施加的电压而变化。工程师应该选择经设计能够满足最终应用条件的变阻器。

以电源的保护为例。金属氧化物变阻器特别适合保护 LED 照明系统的电源免受较大能量浪涌的影响。该设计可能会指定采用紧凑型设计的变阻器，或针对雷击等大的 ESD 事件提供保护。由于元件的苛刻性和维护成本，为路灯设计的 LED 照明系统应同时满足 ANSI/IEEE C62.41.2 和 DOE MSSLC 模型规范的 LED 道路灯具。在这些情况下，电涌放电器与变阻器相结合可提供具有卓越性能的节省空间的集成解决方案。

在电源输入连接中，由与热耦合保险丝串联的盘式变阻器组成的单一封装最适合提供所需的保护。在这种情况下，如果变阻器过热，封装在塑料外壳中的热熔断器会将变阻器与电源电路断开以防止火灾，从而安全地关闭系统。

低能量和 ESD 放电

TVS 二极管多年来一直用于保护电路免受低于 25J（焦耳）的低压 ESD 事件的影响。然而，多层变阻器与传统 TVS 二极管相比具有显着优势。其中包括许多微型尺寸和插入高度、更可靠的性能、更快的响应时间以及在宽温度范围内更好的整体运行。工程师可以使用 TVS 二极管来满足与元件尺寸相关的吸收要求。

电流和电压尖峰

网络经常被重新配置、移动、更换和离线维护。因此，热插拔是一种常见的做法，而热插拔会导致 ESD 事件和低电压尖峰。具有极低寄生电容的多层压敏电阻或 TVS 二极管是用于灯具控制的数据线的 ESD 保护的首选。这种二极管将确保设备在其指定的使用寿命内保持完整的功能。

热应力

在大多数情况下，LED 照明系统的突然故障是由热应力引起的。LED 的温度必须控制在狭窄的范围内，以提供不间断的亮度。热敏电阻提供了一种准确且经济高效的温度测量方法。

保持灯亮

随着 LED 技术的不断成熟，设计工程师可以通过简单地确定应用所需的最合适的保护器件来越来越多地防止影响 LED 可靠性的高能和低能浪涌和 ESD 事件。此外，他们还可以规划应用中所需的适当温度保护，从而以非常真实的方式保持灯亮。

因此，它们将有助于实现美国能源部关于 LED 的使用寿命应比传统照明系统长 25 倍的说法。

审核编辑：汤梓红