LED應用過程中的EOS故障

在LED的應用過程中，我們會經(jīng)常遇到一種能夠?qū)е翷ED器件失效的EOS故障。EOS（electrical overstress）指的是過度電性應力，當電子元器件被施加的電流或者電壓超過該元器件最大的設計規(guī)范要求時，該元器件便會發(fā)生性能減弱，甚至于直接損壞的現(xiàn)象。

LED器件很容易受到EOS的損傷，這種損壞有時能夠直接擊壞器件造成失效，而有時失效則可能在EOS發(fā)生一段時間后才發(fā)生。電源輸出質(zhì)量的不穩(wěn)定，各種過電壓過電流的噪音，以及熱插入應用使用中的突入電流現(xiàn)像等都是能夠產(chǎn)生EOS失效的諸多因素，這種EOS現(xiàn)像都屬于短時間的過負荷，在短時間內(nèi)（一般在一秒鐘內(nèi)）LED受到尖峰電壓或者尖峰電流的沖擊，這種電壓或者電流的能量超過了LED的設計額定值，從而損傷LED器件。

本文將介紹一種保護LED器件，緩解EOS故障的方案，使用TE公司的PolyZen系列元器件將能夠有效的減輕EOS侵擾，提高產(chǎn)品的可靠性。PolyZen系列元器件是具有纖薄外形的集成式過壓和過流保護器件，具有強大的電路保護功能，以幫助保護敏感的電子產(chǎn)品，避免因為過壓和過流失效而導致的代價昂貴的產(chǎn)品返修和質(zhì)保問題。PolyZen系列產(chǎn)品為電路板設計人員提供了方便的過壓過流保護器件，讓他們不再需要花費大量的時間去集成并測試低效的分立器件及較昂貴的IC解決方案。

TE PolyZen集成保護方案提供可靠有效的過壓過流保護

TE電路保護部的PolyZen產(chǎn)品是獨立的表面貼裝器件，它集成了一個可供選擇齊納電壓（Vz）的精密齊納二極管，以及一個PolySwitch聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件，產(chǎn)品原理圖如圖1所示。PolyZen系列適用于空間狹小的薄型緊湊型環(huán)境，它使用了具有熱保護功能的齊納二極管，以幫助保護電子產(chǎn)品避免電壓瞬變、反向偏置和錯誤的電源使用造成的失效。如圖2,PolyZen產(chǎn)品的典型應用框圖，在故障狀態(tài)時，精密齊納二極管能快速有效的箝位電壓并分流故障電流，而PolySwitch PPTC組件則可以繼而快速的關(guān)斷過大的電流，從而幫助保護齊納二極管和下游電子組件。

PolyZen產(chǎn)品的典型故障響應如圖3所示，圖例中選用的是一個集成了5.6V齊納電壓的PolyZen器件，在24V過壓條件（VIN）下，系統(tǒng)有10A的故障電流（IFLT）通過，PolyZen器件中的精密齊納二極管能夠快速的將輸出電壓（VOUT）箝位在5.6V附近，保護了負載電路，同時器件中的PPTC能夠快速的動作截斷電流，持續(xù)長久保護齊納二極管與整個電路。

如今PolyZen系列產(chǎn)品已經(jīng)有豐富的齊納二極管與PPTC集成組合方便實際應用選擇。其小尺寸，獨立貼裝，多功能保護已經(jīng)成為過流過壓保護應用中一種具備顯著性能與價格優(yōu)勢的創(chuàng)新型解決方案，超越了使用熔斷器、齊納二極管和其它無源組件的分立式解決方案。

如何使用PolyZen保護EOS

首先我們搭建一個基本測試平臺用來仿真產(chǎn)生EOS故障信號，整個測試平臺電路原理圖及實際測試圖如圖4,圖5所示，測試系統(tǒng)中使用Keithley Model 2410數(shù)字源表做為電壓源輸出，回路中串聯(lián)了一個開關(guān)用來通斷整個回路。另外我們選用了某知名公司的一款LED產(chǎn)品用來評價EOS故障對該產(chǎn)品的影響，該LED對于浪涌電流的額定承受能力如表1紅線框中所示，通過這個參數(shù)，可以計算得到能夠?qū)е翷ED發(fā)生故障的瞬間能量如公式1:

I2tD = 22 x 0.016 x 0.05 = 0.0032（A2s） ------公式1

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時間，D:電流占空比

這樣我們可以知道，如果測試系統(tǒng)電源輸出的瞬間尖峰信號能量超過了這個值，就有可能損傷LED器件。

我們開始試驗，如圖6所示，示波器捕捉了測試系統(tǒng)在起始工作時的瞬間電壓電流波形，尖峰電壓=4V,尖峰電流=1.5A,持續(xù)時間=340us.

圖6:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形

這樣我們可以計算在該狀態(tài)下的EOS能量，由于該波形近似于三角波，所以我們可以根據(jù)公式2來計算它的能量：

0.5I2t = 0.5 x 0.152 x 0.00034 = 0.0038（A2s） ------公式2

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時間

從公式2得到的數(shù)據(jù)來看，這個尖峰噪音的能量小于能損壞該款LED浪涌承受能力的額定值，所以在這種情況下該款LED是安全的，不過由于這次試驗我們使用的是Keithley的源表，它能夠提供高質(zhì)量的電源?？梢姴捎酶哔|(zhì)量的電源可以避免EOS對LED的損傷。但在實際應用中，如果采用高質(zhì)量的電源來防治EOS故障，我們就需要在LED電源的設計和應用上花費更多的精力與成本，這往往是不符合市場實際的。

所以考慮到如何去模擬實際應用場合中可能會遇到的惡劣電源狀況，我們在圖4測試平臺的基礎上在電壓源的輸出端增加了一個220uF/450V的電容用來惡化EOS信號，原理電路及實際測試圖如圖7,圖8所示。在這組實驗中我們將考察PolyZen器件對EOS的改善，如圖7,我們選用了PolyZen系列中的一款器件ZEN056V130A24LS用來做EOS的保護，這個PolyZen器件集成了一個5.6V的齊納二極管。

首先我們考察回路中沒有PolyZen器件保護的情況，合上開關(guān)，示波器可以捕捉到如圖9所示的電流電壓瞬間脈沖波形。

圖9:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS）

尖峰電壓=23.2V,尖峰電流=12.8A,持續(xù)時間=200us.根據(jù)公式3,我們可以得到這個EOS的能量為0.054,這個值就超過了LED額定浪涌電流承受值。如果LED長時間的工作在這樣的電源下，LED的壽命將會減少，而且可能會出現(xiàn)直接損壞的情況。

0.5I2t = 0.5 x 23.22 x 0.0002 = 0.054（A2s） ------公式3

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時間

我們繼續(xù)進行實驗，如圖6,在這次試驗，我們在LED之前，并聯(lián)了一個PolyZen的器件，我們已經(jīng)介紹過PolyZen是一個過流過壓綜合保護的器件，它集成了一個性能優(yōu)良的齊納二極管，將能夠有效的箝位輸出電壓，分流故障電流，從而使得負載電路得到保護。在實際的測試中，我們得到了如圖10所示的尖峰電壓電流波形。

圖10:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS以及PolyZen保護）

尖峰電壓=6.4V,尖峰電流=6.4A,持續(xù)時間=240us,這樣我們繼續(xù)計算這個EOS波形的能量，如公式4:

0.5I2t = 0.5 x 6.42 x 0.00024 = 0.0049（A2s） ------公式4

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時間

我們可以看到PolyZen對于EOS的改善是非常顯著的，EOS的能量從0.054A2s降低到了0.0049A2s,PolyZen器件通過快速的箝位故障電壓，減小了故障電流，這樣就有效的改善了EOS故障。

我們使用PolyZen的器件再進行一組實驗，這次我們將應用一顆PolyZen的器件去保護兩顆LED,這在實際的應用中會經(jīng)常遇到，該方案也具有更好的成本優(yōu)勢。由于我們需要保護的LED VF=3V,所以為保護兩顆LED,我們選用ZEN065V130A24LS來保護電路，它擁有一顆6.5V的齊納二極管。測試系統(tǒng)的框圖，及實際測試圖如圖11,圖12所示。

示波器捕捉到了如圖13的波形，尖峰電壓=7.4V,尖峰電流=1.5A,持續(xù)時間=400us,這樣我們可以計算這個EOS波形的能量，如公式5:

0.5I2t = 0.5 x 1.182 x 0.0004 = 0.00027（A2s） ------公式5

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時間

這個EOS的能量已經(jīng)小于了公式1中計算所得可以導致LED故障的EOS能量，所以LED能夠在這樣的電源系統(tǒng)中安全工作。在這個應用中，PolyZen器件完美的完成了EOS防護的工作，LED得到了良好的保護。

圖13:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS,一顆PolyZen器件保護兩顆LED）

PolyZen還能做些什么

從上面的實驗，我們已經(jīng)可以明確的得到結(jié)果，PolyZen器件能夠用來保護LED產(chǎn)品的EOS故障。另外PolyZen的能力還不限于此，PolyZen是一個過壓，過流的集成綜合保護器件，普通的TVS器件雖然也能夠箝位電壓，但是只能用作短時間脈沖的保護，而PolyZen器件除了集成了一個高性能的齊納二極管，還集成了一個PPTC過流保護器件，這使得它可以有更廣泛的應用。

我們知道當過壓故障發(fā)生，箝位二極管被擊穿后，它的溫度將會隨著時間的增加而增加，如果故障沒有消除，或者有較長時間的過壓故障脈沖加載在電路上，我們就會需要大能量的TVS器件來保護電路，否則TVS器件本身也會被永久破壞，而大能量的TVS器件意味著更昂貴的價格，以及更大的封裝尺寸。PolyZen器件中集成的PPTC能夠快速有效的進行過流保護，在故障發(fā)生時，齊納管首先保護，箝位電壓，它本身溫度上升，然后PPTC能夠被齊納管加熱，在很短的時間內(nèi)動作，成為高阻狀態(tài)，這樣的話，整個電路的電流就能夠被限制住，而故障電壓會基本都由PPTC來承受，PPTC可以長時間的承受故障電壓，使PolyZen可以勝任一個長時間的持續(xù)過壓過流保護。PolyZen器件的這個獨特功能，使得它能夠以較小的封裝尺寸來承受更大的能量。

結(jié)束語

隨著市場對于節(jié)能低功耗的需求逐漸增加，LED已經(jīng)成為了新一代照明的趨勢，而LED在應用過程當中的EOS保護也越來越受到人們的重視，本文仿真了惡劣EOS信號的產(chǎn)生，并通過測試實際考察了它對LED器件的影響，繼而進一步嘗試應用了TE公司的PolyZen器件來抑制EOS,并得到了良好的測試結(jié)果。我們可以總結(jié)一下PolyZen器件在LED的EOS故障防護中的優(yōu)點：

1. 效果顯著的改善EOS能量，保護LED器件，延長LED器件壽命。

2. 降低LED電源設計的難度及成本。

3. 過流過壓多功能保護，小尺寸封裝，大能量保護，改善使用大功率TVS管做保護帶來的成本及空間上的壓力。

PolyZen器件的諸多優(yōu)點，使得它可以成為一種LED器件EOS故障防護中的理想解決方案。