LED照明系统的可靠性设计方案

有几个因素会影响电子设计中的固态照明，从应力问题到与封装相关的问题再到与组件相关的问题。设计工程师必须考虑这些因素。有五个主要威胁会影响电子设计中 LED 照明系统的可靠性：

静电放电 (ESD) 事件，包括闪电

瞬态过流事件和浪涌

热插拔期间的电流和电压尖峰

反向电压效应

过温保护

为了使 LED 照明系统可靠，所有组件和子系统都必须得到有效保护，以防止在组装、维护和操作过程中遇到的这些危险。高性能 ESD 和过温保护可以防止这些危险，从而延长 LED 照明系统的使用寿命、降低维护成本并提高可靠性。使用高质量的保护 ESD 和过热元件为 LED 阵列、它们的电源和控制电路提供有效且具有成本效益的保护。

LED 系统概览

LED 灯泡——或者更专业地说，灯具——由三个基本子系统组成：LED 电源、与电网的电源输入连接和 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。

在过去的几年里，智能 LED 灯具由于包括远程控制和维护在内的功能而广受欢迎。正因为如此，第四个子系统——通信电源和接口——也经常集成到灯具中。这允许部署智能联网照明系统，最大限度地提高照明效率和质量，并帮助设施管理人员了解每个灯具的维护状态。

图 1： 展示过压和过温保护装置的基本 LED 照明系统架构

随着 LED 照明系统技术的成熟，工程师们意识到他们需要一种方法来防止 ESD 事件和高能量浪涌影响灯具并确保系统可靠性。这些浪涌会导致立即失效（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受到导致此类损害的事件的影响。当工程师审查可能事件的能量水平时，他们可以确定需要哪些合适的保护设备。

高能浪涌

压敏电阻，也称为压敏电阻，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。工程师应选择能够承受最终应用条件的压敏电阻。

以电源保护为例。金属氧化物压敏电阻特别适合保护 LED 照明系统的电源免受更大的高能浪涌的影响。该设计可以指定具有紧凑设计的压敏电阻，或者提供针对雷击等大型 ESD 事件的保护。而且，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，避雷器与压敏电阻相结合提供了一种节省空间的集成解决方案，具有最理想的性能。

在电源输入连接中，由与热耦合保险丝串联的盘式压敏电阻组成的单个封装最适合提供所需的保护。在这种情况下，如果压敏电阻过热，封装在塑料外壳中的热熔断器会将压敏电阻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

瞬态电压抑制 (TVS) 二极管多年来一直用于保护电路免受低于 25 焦耳的低压 ESD 事件的影响。然而，与传统 TVS 二极管相比，多层压敏电阻具有重要优势。其中包括更微型的尺寸和插入高度、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操作。此外，TVS 二极管可以有效地满足与元件尺寸相关的吸收要求。

图 2：用于防止 ESD 事件的专用或非标准组件示例

LED 引擎可以由数百个 LED 组成，这些 LED 通常是串联连接的灯串、并联连接的灯串或两者的组合。如果串联串中的一个 LED 发生故障，则整个系列都将发生故障。这是因为串联连接的 LED 灯串会导致天线效应，从而使阵列对 ESD 事件更加敏感。多层压敏电阻可以提供针对此类事件的保护。

网络经常被重新配置、移动、更换和离线进行维护。因此，热插拔是一种常见做法，热插拔会导致 ESD 事件和低压尖峰。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 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全功能。

二极管与压敏电阻

二极管和压敏电阻旨在满足许多应用的独特设计挑战。这些解决方案通常坚固耐用，占用空间小得多，或者旨在防止某些类型的浪涌电流。

例如，TDK 的 EPCOS CeraDiode 旨在以比 TVS 二极管更好的速率吸收高能量，并且占用空间更小。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，则应考虑它们。这在需要小型化、可靠保护和高性能的应用中尤为重要。

另一个例子是多层压敏电阻提供的针对 ESD 和瞬态干扰的双向保护。典型的 TVS 二极管本质上是单向的，因此必须设计成两个二极管。但是，压敏电阻作为具有相同保护的单个组件提供双向保护。在这种情况下，压敏电阻将为设计提供尺寸和成本优势。

其他压敏电阻在较高温度下提供可靠的性能。典型的 TVS 二极管在室温下开始降额，这远低于许多应用所需的温度，因此选择能够在非常大的温度范围内可靠工作的压敏电阻至关重要，从而限制由温度波动引起的故障。

温度保护

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。由于 LED 需要恒定电流来提供不间断的亮度，因此它们的温度必须精确控制在狭窄的范围内。热敏电阻或热敏电阻是用于测量温度的准确且经济高效的传感器。

热敏电阻是一种电阻受温度控制的器件。热敏电阻有两种类型：NTC热敏电阻和PTC热敏电阻。在 NTC 热敏电阻或负温度系数热敏电阻中，电阻随温度升高而降低。在 PTC 热敏电阻或正温度系数热敏电阻中，电阻随温度升高而增加。

图 3：没有 IC 的温度补偿 LED 驱动器

NTC 热敏电阻采用表面贴装设计 (SMD) 封装，可防止 LED 阵列过热，并有助于以峰值流明效率控制其温度曲线。这是通过自动调整 LED 的电流来执行的。与智能电路一起，它们可以实现有效的控制系统。

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与 LED 串联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。

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 可靠性的高低能量浪涌和 ESD 事件。此外，他们还可以计划其应用所需的适当温度保护，从而以非常实际的方式保持灯亮。

　　审核编辑：汤梓红