LED 照明系統(tǒng)的質(zhì)量自發(fā)明以來(lái)一直是一個(gè)問(wèn)題，這也是它們?cè)缙谖幢挥米骷矣谜彰飨到y(tǒng)的原因之一。近年來(lái)，全球 LED 燈的安裝量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這主要?dú)w功于 LED 照明的承諾：長(zhǎng)壽命、高能效和節(jié)約成本。美國(guó)能源部網(wǎng)站稱，LED 燈泡的使用壽命是傳統(tǒng)燈泡的 25 倍以上。盡管 2012 年美國(guó)安裝了超過(guò) 5000 萬(wàn)盞 LED 燈，但許多 LED 在短短幾個(gè)月內(nèi)就失效，引起了消費(fèi)者的憤怒。

2013 年，由于 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，第一個(gè) LED 燈泡獲得了能源之星認(rèn)證。獲得能源之星認(rèn)證的 LED 燈泡意味著該系統(tǒng)已滿足可靠性、性能和節(jié)能要求——這是一個(gè)巨大的要求轉(zhuǎn)變。

工程師如何能夠滿足能源之星認(rèn)證要求并克服過(guò)去阻礙 LED 系統(tǒng)的許多障礙？隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)裝置能夠更好地抵御 LED 照明系統(tǒng)性能和可靠性的主要威脅。通過(guò)確定最適合應(yīng)用要求的保護(hù)器件并將其集成到 LED 設(shè)計(jì)中，工程師能夠抵消對(duì) LED 系統(tǒng)的威脅，例如靜電放電 (ESD) 和熱問(wèn)題。讓我們來(lái)看看使用高質(zhì)量的保護(hù)器件——尤其是二極管、變阻器和熱敏電阻——如何有助于提高 LED 的可靠性、性能、能效和成本節(jié)約，進(jìn)而，

LED 系統(tǒng)概述

LED 燈泡（或更專業(yè)地說(shuō)，燈具）由三個(gè)基本子系統(tǒng)組成：LED 電源、電網(wǎng)電源輸入連接和 LED 引擎。LED 引擎可以進(jìn)一步細(xì)分為 LED 陣列、LED 驅(qū)動(dòng)器和控制單元。

在過(guò)去幾年中，智能 LED 燈具由于具有遠(yuǎn)程控制和維護(hù)等功能而受到歡迎。因此，第四個(gè)子系統(tǒng)——通信電源和接口——通常集成到燈具中。該設(shè)計(jì)允許客戶部署智能網(wǎng)絡(luò)照明系統(tǒng)，最大限度地提高照明效率和質(zhì)量，并跟蹤每個(gè)燈具的狀態(tài)以進(jìn)行維護(hù)。

影響 LED 質(zhì)量的因素

有幾個(gè)因素會(huì)影響固態(tài)照明，包括應(yīng)力、封裝相關(guān)和組件相關(guān)問(wèn)題。設(shè)計(jì)和制造 LED 照明系統(tǒng)的公司必須考慮這些因素。影響 LED 照明系統(tǒng)可靠性的主要威脅有五個(gè)：

靜電放電 (ESD) 事件，包括閃電

瞬態(tài)過(guò)流和浪涌

熱插拔期間的電流和電壓尖峰

反向電壓效應(yīng)

熱問(wèn)題，例如長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行

為使 LED 照明系統(tǒng)可靠，所有組件和子系統(tǒng)都必須在組裝、維護(hù)和操作期間得到充分保護(hù)，免受這些危險(xiǎn)。

LED保護(hù)解決方案

隨著 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的成熟，工程師們開始將高質(zhì)量的保護(hù)器件集成到他們的 LED 設(shè)計(jì)中，以防止高能量和低能量浪涌、ESD 事件和熱應(yīng)力對(duì) LED 陣列、它們的電源和控制電路產(chǎn)生不利影響。這些保護(hù)裝置的集成使 LED 照明系統(tǒng)具有更高的可靠性、更低的維護(hù)成本和更長(zhǎng)的產(chǎn)品使用壽命。

通過(guò)評(píng)估 LED 設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求，工程師可以確定最合適的保護(hù)器件來(lái)提高 LED 的性能和可靠性。圖 1顯示了工程師如何在 LED 燈具的系統(tǒng)架構(gòu)中使用二極管、變阻器和熱敏電阻的示例。

圖 1：帶有 ESD 和熱保護(hù)裝置的基本 LED 照明系統(tǒng)架構(gòu)。（來(lái)源：TDK 公司）

二極管和變阻器

二極管和壓敏電阻器（也稱為變阻器）的開發(fā)旨在應(yīng)對(duì)許多應(yīng)用的獨(dú)特設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些解決方案通常堅(jiān)固耐用，占地面積小得多，并且可以防止某些類型的浪涌電流。

TDK Corporation 的 EPCOS CeraDiode? 設(shè)計(jì)用于以比瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管更好的速率吸收高能量，并且占位面積更小（圖 2）。該產(chǎn)品 80% 的元件體積用于吸收能量 ESD 事件，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) TVS 二極管的 30%，并且具有相同的性能。因此，如果非標(biāo)準(zhǔn)部件有助于最大限度地減少空間需求并提供相同或改進(jìn)的性能，則應(yīng)予以考慮。這在需要小型化、可靠保護(hù)和高性能的應(yīng)用中尤為重要。

圖 2：用于防止 ESD 事件的專用或非標(biāo)準(zhǔn)組件示例。（來(lái)源：TDK 公司）

熱敏電阻

熱敏電阻或熱敏電阻器是用于測(cè)量溫度的高精度傳感器。有兩種類型的熱敏電阻：

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 (NTC)

正溫度系數(shù)熱敏電阻 (PTC)

這兩種熱敏電阻的區(qū)別在于，NTC 熱敏電阻的電阻會(huì)隨著溫度升高而降低，而 PTC 熱敏電阻的電阻會(huì)隨著溫度升高而升高。

NTC 熱敏電阻采用表面貼裝設(shè)計(jì) (SMD) 封裝，可防止 LED 陣列過(guò)熱，并有助于在峰值流明效率下控制其溫度曲線。NTC 熱敏電阻通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié) LED 的電流來(lái)提供熱保護(hù)。與智能電路一起，它們可以實(shí)現(xiàn)有效的控制系統(tǒng)（圖 3）。

圖 3：不帶 IC 的溫度補(bǔ)償 LED 驅(qū)動(dòng)器示意圖。（來(lái)源： TDK 公司）

在沒(méi)有集成電路的溫度補(bǔ)償 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，PTC 熱敏電阻可以通過(guò)將它們串聯(lián)到 LED 來(lái)降低正向電流的高溫。在這樣的設(shè)計(jì)中，大部分 LED 電流流經(jīng) PTC 熱敏電阻。

發(fā)光二極管設(shè)計(jì)

工程師可以通過(guò)將保護(hù)器件集成到他們的設(shè)計(jì)中來(lái)防止對(duì) LED 可靠性產(chǎn)生不利影響的因素。以下是一些示例，說(shuō)明將保護(hù)器件集成到 LED 設(shè)計(jì)中如何抵消對(duì) LED 照明系統(tǒng)的主要威脅。

靜電放電

LED 引擎可以由數(shù)百個(gè) LED 組成，這些 LED 通常是串聯(lián)串、并聯(lián)串或兩者的組合。如果串聯(lián)燈串中的一個(gè) LED 發(fā)生故障，則整個(gè)系列都會(huì)發(fā)生故障。這是因?yàn)榇?lián)燈串中的 LED 會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)，使陣列對(duì) ESD 事件更加敏感。多層變阻器可以防止此類事件發(fā)生。

針對(duì) ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護(hù)

多層變阻器是針對(duì) ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護(hù)的絕佳選擇。典型的 TVS 二極管本質(zhì)上是單向的，因此有必要在兩個(gè)二極管中進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，壓敏電阻作為具有相同保護(hù)的單個(gè)元件提供雙向保護(hù)。在這種情況下，變阻器將為設(shè)計(jì)提供尺寸和成本優(yōu)勢(shì)。

高能浪涌

工程師意識(shí)到他們需要一種方法來(lái)防止 ESD 事件和高能浪涌影響燈具。這些浪涌會(huì)導(dǎo)致直接故障（通常在連接處）和潛在損壞導(dǎo)致的退化率增加。四個(gè)子系統(tǒng)中的每一個(gè)都可能暴露于導(dǎo)致此類損壞的事件。

壓敏電阻長(zhǎng)期以來(lái)一直是過(guò)壓保護(hù)的首選解決方案。這是因?yàn)殡娮桦S施加的電壓而變化。工程師應(yīng)該選擇經(jīng)設(shè)計(jì)能夠滿足最終應(yīng)用條件的變阻器。

以電源的保護(hù)為例。金屬氧化物變阻器特別適合保護(hù) LED 照明系統(tǒng)的電源免受較大能量浪涌的影響。該設(shè)計(jì)可能會(huì)指定采用緊湊型設(shè)計(jì)的變阻器，或針對(duì)雷擊等大的 ESD 事件提供保護(hù)。由于元件的苛刻性和維護(hù)成本，為路燈設(shè)計(jì)的 LED 照明系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)滿足 ANSI/IEEE C62.41.2 和 DOE MSSLC 模型規(guī)范的 LED 道路燈具。在這些情況下，電涌放電器與變阻器相結(jié)合可提供具有卓越性能的節(jié)省空間的集成解決方案。

在電源輸入連接中，由與熱耦合保險(xiǎn)絲串聯(lián)的盤式變阻器組成的單一封裝最適合提供所需的保護(hù)。在這種情況下，如果變阻器過(guò)熱，封裝在塑料外殼中的熱熔斷器會(huì)將變阻器與電源電路斷開以防止火災(zāi)，從而安全地關(guān)閉系統(tǒng)。

低能量和 ESD 放電

TVS 二極管多年來(lái)一直用于保護(hù)電路免受低于 25J（焦耳）的低壓 ESD 事件的影響。然而，多層變阻器與傳統(tǒng) TVS 二極管相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。其中包括許多微型尺寸和插入高度、更可靠的性能、更快的響應(yīng)時(shí)間以及在寬溫度范圍內(nèi)更好的整體運(yùn)行。工程師可以使用 TVS 二極管來(lái)滿足與元件尺寸相關(guān)的吸收要求。

電流和電壓尖峰

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被重新配置、移動(dòng)、更換和離線維護(hù)。因此，熱插拔是一種常見(jiàn)的做法，而熱插拔會(huì)導(dǎo)致 ESD 事件和低電壓尖峰。具有極低寄生電容的多層壓敏電阻或 TVS 二極管是用于燈具控制的數(shù)據(jù)線的 ESD 保護(hù)的首選。這種二極管將確保設(shè)備在其指定的使用壽命內(nèi)保持完整的功能。

熱應(yīng)力

在大多數(shù)情況下，LED 照明系統(tǒng)的突然故障是由熱應(yīng)力引起的。LED 的溫度必須控制在狹窄的范圍內(nèi)，以提供不間斷的亮度。熱敏電阻提供了一種準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)高效的溫度測(cè)量方法。

保持燈亮

隨著 LED 技術(shù)的不斷成熟，設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單地確定應(yīng)用所需的最合適的保護(hù)器件來(lái)越來(lái)越多地防止影響 LED 可靠性的高能和低能浪涌和 ESD 事件。此外，他們還可以規(guī)劃應(yīng)用中所需的適當(dāng)溫度保護(hù)，從而以非常真實(shí)的方式保持燈亮。

因此，它們將有助于實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源部關(guān)于 LED 的使用壽命應(yīng)比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)長(zhǎng) 25 倍的說(shuō)法。

審核編輯：湯梓紅