有幾個(gè)因素會(huì)影響電子設(shè)計(jì)中的固態(tài)照明，從應(yīng)力問(wèn)題到與封裝相關(guān)的問(wèn)題再到與組件相關(guān)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)工程師必須考慮這些因素。有五個(gè)主要威脅會(huì)影響電子設(shè)計(jì)中 LED 照明系統(tǒng)的可靠性：

靜電放電 (ESD) 事件，包括閃電

瞬態(tài)過(guò)流事件和浪涌

熱插拔期間的電流和電壓尖峰

反向電壓效應(yīng)

過(guò)溫保護(hù)

為了使 LED 照明系統(tǒng)可靠，所有組件和子系統(tǒng)都必須得到有效保護(hù)，以防止在組裝、維護(hù)和操作過(guò)程中遇到的這些危險(xiǎn)。高性能 ESD 和過(guò)溫保護(hù)可以防止這些危險(xiǎn)，從而延長(zhǎng) LED 照明系統(tǒng)的使用壽命、降低維護(hù)成本并提高可靠性。使用高質(zhì)量的保護(hù) ESD 和過(guò)熱元件為 LED 陣列、它們的電源和控制電路提供有效且具有成本效益的保護(hù)。

LED 系統(tǒng)概覽

LED 燈泡——或者更專業(yè)地說(shuō)，燈具——由三個(gè)基本子系統(tǒng)組成：LED 電源、與電網(wǎng)的電源輸入連接和 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)去的幾年里，智能 LED 燈具由于包括遠(yuǎn)程控制和維護(hù)在內(nèi)的功能而廣受歡迎。正因?yàn)槿绱耍谒膫€(gè)子系統(tǒng)——通信電源和接口——也經(jīng)常集成到燈具中。這允許部署智能聯(lián)網(wǎng)照明系統(tǒng)，最大限度地提高照明效率和質(zhì)量，并幫助設(shè)施管理人員了解每個(gè)燈具的維護(hù)狀態(tài)。

圖 1： 展示過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)裝置的基本 LED 照明系統(tǒng)架構(gòu)

隨著 LED 照明系統(tǒng)技術(shù)的成熟，工程師們意識(shí)到他們需要一種方法來(lái)防止 ESD 事件和高能量浪涌影響燈具并確保系統(tǒng)可靠性。這些浪涌會(huì)導(dǎo)致立即失效（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)都可能受到導(dǎo)致此類損害的事件的影響。當(dāng)工程師審查可能事件的能量水平時(shí)，他們可以確定需要哪些合適的保護(hù)設(shè)備。

高能浪涌

壓敏電阻，也稱為壓敏電阻，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)選擇能夠承受最終應(yīng)用條件的壓敏電阻。

以電源保護(hù)為例。金屬氧化物壓敏電阻特別適合保護(hù) LED 照明系統(tǒng)的電源免受更大的高能浪涌的影響。該設(shè)計(jì)可以指定具有緊湊設(shè)計(jì)的壓敏電阻，或者提供針對(duì)雷擊等大型 ESD 事件的保護(hù)。而且，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，避雷器與壓敏電阻相結(jié)合提供了一種節(jié)省空間的集成解決方案，具有最理想的性能。

在電源輸入連接中，由與熱耦合保險(xiǎn)絲串聯(lián)的盤(pán)式壓敏電阻組成的單個(gè)封裝最適合提供所需的保護(hù)。在這種情況下，如果壓敏電阻過(guò)熱，封裝在塑料外殼中的熱熔斷器會(huì)將壓敏電阻與電源電路斷開(kāi)以防止火災(zāi)，從而安全地關(guān)閉系統(tǒng)。

低能量和 ESD 放電

瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管多年來(lái)一直用于保護(hù)電路免受低于 25 焦耳的低壓 ESD 事件的影響。然而，與傳統(tǒng) TVS 二極管相比，多層壓敏電阻具有重要優(yōu)勢(shì)。其中包括更微型的尺寸和插入高度、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)更好的整體操作。此外，TVS 二極管可以有效地滿足與元件尺寸相關(guān)的吸收要求。

圖 2：用于防止 ESD 事件的專用或非標(biāo)準(zhǔn)組件示例

LED 引擎可以由數(shù)百個(gè) LED 組成，這些 LED 通常是串聯(lián)連接的燈串、并聯(lián)連接的燈串或兩者的組合。如果串聯(lián)串中的一個(gè) LED 發(fā)生故障，則整個(gè)系列都將發(fā)生故障。這是因?yàn)榇?lián)連接的 LED 燈串會(huì)導(dǎo)致天線效應(yīng)，從而使陣列對(duì) ESD 事件更加敏感。多層壓敏電阻可以提供針對(duì)此類事件的保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被重新配置、移動(dòng)、更換和離線進(jìn)行維護(hù)。因此，熱插拔是一種常見(jiàn)做法，熱插拔會(huì)導(dǎo)致 ESD 事件和低壓尖峰。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 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)保持完全功能。

二極管與壓敏電阻

二極管和壓敏電阻旨在滿足許多應(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，占用空間小得多，或者旨在防止某些類型的浪涌電流。

例如，TDK 的 EPCOS CeraDiode 旨在以比 TVS 二極管更好的速率吸收高能量，并且占用空間更小。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)考慮它們。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。

另一個(gè)例子是多層壓敏電阻提供的針對(duì) ESD 和瞬態(tài)干擾的雙向保護(hù)。典型的 TVS 二極管本質(zhì)上是單向的，因此必須設(shè)計(jì)成兩個(gè)二極管。但是，壓敏電阻作為具有相同保護(hù)的單個(gè)組件提供雙向保護(hù)。在這種情況下，壓敏電阻將為設(shè)計(jì)提供尺寸和成本優(yōu)勢(shì)。

其他壓敏電阻在較高溫度下提供可靠的性能。典型的 TVS 二極管在室溫下開(kāi)始降額，這遠(yuǎn)低于許多應(yīng)用所需的溫度，因此選擇能夠在非常大的溫度范圍內(nèi)可靠工作的壓敏電阻至關(guān)重要，從而限制由溫度波動(dòng)引起的故障。

溫度保護(hù)

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。由于 LED 需要恒定電流來(lái)提供不間斷的亮度，因此它們的溫度必須精確控制在狹窄的范圍內(nèi)。熱敏電阻或熱敏電阻是用于測(cè)量溫度的準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)高效的傳感器。

熱敏電阻是一種電阻受溫度控制的器件。熱敏電阻有兩種類型：NTC熱敏電阻和PTC熱敏電阻。在 NTC 熱敏電阻或負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻中，電阻隨溫度升高而降低。在 PTC 熱敏電阻或正溫度系數(shù)熱敏電阻中，電阻隨溫度升高而增加。

圖 3：沒(méi)有 IC 的溫度補(bǔ)償 LED 驅(qū)動(dòng)器

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，并有助于以峰值流明效率控制其溫度曲線。這是通過(guò)自動(dòng)調(diào)整 LED 的電流來(lái)執(zhí)行的。與智能電路一起，它們可以實(shí)現(xiàn)有效的控制系統(tǒng)。

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)將它們與 LED 串聯(lián)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。

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 可靠性的高低能量浪涌和 ESD 事件。此外，他們還可以計(jì)劃其應(yīng)用所需的適當(dāng)溫度保護(hù)，從而以非常實(shí)際的方式保持燈亮。

　　審核編輯：湯梓紅