如何保护LED免受EOS的影响

01.导读

作为一种基于半导体的光电器件，LED (发光二极管) 也应在制造商数据表中规定的绝对最大电气额定值以下运行，以保证其可靠性和使用寿命，并确保其安全运行。导致LED电路和系统中LED故障的一个因素是电过应力(EOS)。本应用说明描述了EOS的性质，解释了它与ESD 的区别，讨论了其原因，概述了与EOS相关的损伤，并提供了关于如何保护LED免受EOS影响 的信息。尽管这些基本原理适用于所有的电子元件，但本应用说明的重点是LED。

02.什么是EOS？

电应力是一个术语，用来描述电子元件运行在高于其数据表中规定的绝对最大电额定值以上发生的失效事件。换句话说，当电子部件故意或意外地超过其绝对最高电气额定值时，就会经历EOS。EOS可以是单个事件/重复事件，也可能是连续事件。

在初次使用LED的情况下，规格书中以下参数既相关又重要：通过LED的最大正向电流/最大电压/最大浪涌电流/最大反向电流/最大反向电压/最大允许的连续脉冲电流/最大使用温度。这些都应保持在规格书内所标注最大额定值以下，以确保LED不经历EOS事件,下表列出常规规格书内极限电气参数表。

03.EOS与ESD的区别

当讨论EOS时，首先想到的是ESD (静电)。即使是有经验的工程师也可以互换使用这些术语，但两者之间有细微的区别。

ESD事件(图2：HBM-人体模型)定义较明确，持续时间很短 (纳秒)，电压显著高至kV范围，电流中等或是比较小，而EOS事件 (图3)非常宽，持续时间更长 (毫秒甚至秒)，通常具有较低的电压和较高的电流。基于对EOS和ESD的一般的描述，ESD可以被认为是EOS的一个子集或是分支。

ESD是跟驱动或是电源无关的；故障现象主要芯片表面损伤导致外延层(EPI)出现小孔。

EOS主要是跟电源或驱动有关的；故障现象主要表现损伤为过热迹象 (EPI/内部键合线出现熔融区域) 。

出现EOS的原因：

EOS是一个非常广泛的概念，可以有许多不同的触发源，包括通电和断电瞬态、浪涌电流和过电压或电流(在LED的情况下，这通常被称为过量驱动)。一般我们将ESD其作为 EOS的一个子集来考虑，它有静电源主要局限于电子元件的制造、包装和生产与制造过程处理。

在LED驱动电路中，由于内部驱动电路中常见的驱动集成电路的锁存条件异常也是被认为是EOS事件之一。

在电源通电和断电瞬态所表现瞬态峰值，也称为电源尖峰。在具有离散控制的应用中，容易在LED电路的位置附近产生尖峰。此外，驱动器到LED引脚之间的线路也有可能是峰值信号的来源。这些瞬变源对LED影响非常重要，并且能够根据影响大小而造成损坏，这取决于驱动电路的设计结构、系统中使用的保护类型和功率级别。

在LED测试的情况下，如果LED是通过其它方式连接到主控板上或是电源上，当LED被连接到一个通电的电源上，那么这种情况下涌入瞬时电流是最常见的，这在电子行业中被称为“热插拔” 。热插拔期间可能产生的大量通电瞬时电流构成EOS 事件，并可能造成严重损坏。

LED或任何其他电子元件可能因各种原因被过度驱动 (故障或意外等) 。一个LED可能被意外地过度驱动的情况下，如果驱动器不能正确适当的对其驱动条件进行调节输出电流大小来防护,较为容易产生故障。

例如:如果一个LED电路或系统的整机工作电流非常接近或是超过LED规格内最大数据表里面规定的电流值，当驱动有异常时往往会对LED进行过量驱动。一个设计不规范的LED驱动电路，由于电源输出电流波动，这样的波动是很容易地导致超过最大数据表中的电流值，从而导致LED的过量驱动。

本应用程序说明范围之外的其他一些来源在这里仅供参考。如果没有外部保护电路来保护这些事件，例如电网波动和闪电等事件也会对LED电路和系统造成损害。

04.LED中的EOS可能会导致哪种类型的损伤

LED中的EOS损伤可能是灾难性的，因为在EOS事件发生后，LED永久失去工作；也可能只是部分损坏，导致性能显著下降或LED的完全失效。LED中的部分EOS损伤 可能表现为光输出减弱、热性能较差和使用寿命较短。一些EOS损伤可以用显微镜看到 (甚至可以用肉眼发现)，但其他类型的损伤需要间接测试，特别是在单一ESD型事件的情况下(主要追踪方法有I-V曲线示踪剂、R_ray射线、SEM扫描电镜等)。

测试EOS损伤的间接方法包括对LED进行偏置，并使用曲线示踪器来绘制损坏LED 的电流-电压(I-V)曲线特征。损害的类型高度取决于事件的严重程度。它可以从燃烧的LED芯片到熔融或断裂的粘结线，短路的LED，照明时外观不均匀，以及热点。有可能甚至也没有明显的损害。

为了便于参考，下图中描述了某些类型的EOS损伤。

值得注意的是，许多EOS事件不会立即损坏LED。因此，当LED故障发生时，可能不再可能将故障与初始EOS事件关联起来——即使故障的根本原因可能是LED以前经历过的单个EOS。这意味着，当LED故障变得明显时，EOS事件很容易被忽视。这是努力避免LED电路和系统中的EOS的另一个原因。

为了说明EOS损伤的潜在严重程度，我们在实验室中进行了一些已知EOS事件的实验。以下是已知EOS事件的最大电气额定值

LED短路得很快。这里可能出现的故障包括半导体的热过应力或熔丝键。如图5所示，在LED上的连接线附近可见损坏。  

在这个实验中，故障发生在大约10-20秒内。本实验中的电流水平是数据表最大电流的4倍。一个典型的EOS电流甚至可以比这里试验的电流要高得多。然而，EOS事件的持续时间可能不到10-20秒。下面是其中一个损坏的LED的X-Ray射线图像。

实验2:

LED脉冲电流为1000mA(T=1s，D=0.2)。当用脉冲电流驱动时，此次实验发生故障需要更长的时间。然而，这些失效的特征是相似的。在LED上的连接线附近可以看到损坏,如下图所示。

实验3:

LED以3000mA的单脉冲驱动300ms。由于较高的功率负荷，结合丝熔化。图8显示了大电流下对键合金丝的损坏情况，一般这种大电流下有机率会在烧熔断点处形成金球状。

图中表面为金线熔断，本实验中LED因开路而失效。 这三个实验表明，损伤可能是表现的是部分异常或灾难性不可恢复性的，其中主要是取决于EOS事件的强度。在部分损坏的情况下，在发生完全故障之前，整个过程中会不间断的发生多个EOS事件后才有可能表现出异常。  

05.如何保护LED免受EOS的影响

由于EOS事件的最终结果是过电流或过电压，因此行业中常用两种类型的保护： 1.过电压保护电路 2.限流电路 许多要求严格的产品或是工业设备上所要求的半导体LED都有内置ESD芯片保护电路，旨在保护LED免受ESD事件的影响。要根据需要进行内置或是外置齐纳管或是TVS管进行设计，可靠性做的好的器件保护高达8kV  HBM (人体模型) 或高达15kVacc(等级为3B)。这些ESD电路的目的是在制造、包装和处理过程中保护LED。保护电路仅保护LED 远离低于指定范围的ESD事件。下面解释的保护类型侧重于保护LED免受集成ESD 保护设备规范之外的事件的影响。正确的驱动设计对于确保LED在其最大电气额定值范围内运行至关重要，并免受某些EOS事件的影响，特别是LED连续驱动LED 超过最大额定电流和/或电压。最好以恒定的电流驱动LED。在LED在较低的电流水平下运行的情况下，输出纹波的影响可能不是一个问题。然而，当LED在更接近绝对最大电流的电流下被驱动时，电源上的纹波电流可以高于LED的最大额定电流——这意味着LED在使用的过程中持续的在经历EOS这个过程，造成LED性能下降或是死灯。 其他特性，如驱动设计中的能实现软启动来驱动LED，可以显著减少电源中波峰值对LED进行冲击。虽然软启动有它的好点，但使用中可能会有一个明显的延迟。下图显示了在EOS事件下LED负载的使用示波器捕获的波形。吸潮,温升太快,容易出现品质异常。

过电压保护电路:一个过电压保护电路通过确保通过LED的电压始终保持在指定的水平下来保护LED免受EOS事件的影响。最常见的过电压保护电路是钳位电路，如TVS (瞬态电压抑制) 二极管。TVS管与它们所保护的LED并联方式进行电气连接。在正常运行过程中，TVS管处于“关闭”位置。在EOS事件的电压高于TVS管保护电压的情况下，TVS内部击穿导通并“嵌位”电压，从而保护LED 。TVS管可以是选择使用单向的，也可以使用双向的。

在选择TVS设备时，应注意嵌位电压。考虑到所述LED的正向电压值会受到外部的因素会有少许波动，所选的嵌位的电压应略高于正常工作电压，并且低到足以在EOS事件发生时保护LED。TVS管的响应时间相当快。在很多情况下，该管子只需皮秒就能抑制由EOS事件导致的电压。

如果多个LED串联或在LED，其中一 组LED内部串联连接，单个保护电路可以并联连接。在这种情况下，嵌位电压将略高于总串电压。

限流电路:与过压保护电路不同，限流电路与需要保护的LED串联电连接(如下图) 。当用于保护LED免受过电流冲击事件影响，电流限制电路会实时限制通过电路的电流。

电流限制电路有两种类型：不可复位电流限制器和可复位电流限制器。

不可复位的电流限制器(保险丝)是在EOS引起的过电流事件的情况下直接跳闸的一次性保护。一般常用的电路中并不推荐此类防护，因为此类故障设备时必须检查无问题后再进行物理更换，这样才可以使LED电路再次工作(因为电流限制器是串联连接的)，通过保险丝断开来使LED未受到外部冲击,有效防止下一个潜在的EOS事件。

NTC (负温度系数) 电路的工作方式与PTC电路相反。它在室温下具有较高的电阻，在工作温度下具有可以忽略不计的电阻，这使它成为防止涌入电流的理想选择。 下图说明了NTC如何防止因热插拔而导致的涌入电流。

在带有NTC器件的LED电路中，冲击电流 (以橙色显示) 被降低到类似于蓝色波形所示的水平，从而保护LED免受高冲击电流的影响。然而，这种方法并不适用于快速开关开关。 虽然使用PTC或NTC设备是非常简单和经济有效的，但这些方式也有一些具有降低性能因素。PTC开始增加其电阻时或之后的开关电流高于期望的工作电流。例如，如果开关电流是工作电流的1.5倍，并且工作电流相对接近最大数据表电流，则开关电流可能仍然高于最大数据表电流，这意味着PTC只适合于低工作电流。此外 ，在某些情况下，PTC的预热时间可能会导致启动延时问题，主要表现为从零到正常工作时间由毫秒到秒不等。这也将工作电流限制在受数据表最大值限制的范围的低端。 在NTC设备的情况下，在连续性的EOS事件的情况下，NTC器件冷却时间可能会有问题。 为了克服这些有关被动保护的问题，如PTC或NTC保护，可以考虑主动保护。与被动解决方案相比，主动保护可能是复杂的和成本相对来说比较高一些的。图16显示了一个可用于主动涌入电流保护的电路。

图16

图16中R3为电流采样电阻，当工作时流过R3的电压刚好低于激活NPN晶体管所需的电压。在过电流的情况下，通过R3的电压增加，以打开NPN晶体管，这反过来关闭MOS管从而保护LED。虽然电路简单、经济有效，而且正常运行时R3上的功耗对整个系统的效率会有轻微的影响 。特别是长时间工作在大电流的状态下，R3将会产生较大的功耗，存在热稳定性的参数漂移，而图17中所示的电路可以用来克服这个问题。

图17  

图17中MOSFET-N具有非常低的开启电阻 (在毫欧姆范围内) 。因此 ，图17中的电路在正常运行中不会消耗太多额外的功率，因此对于效率是关键因素的应用程序，它是理想的。组件值基于所需的保护级别，但这不是本应用程序说明范围的一部分。在实际应用中，TVS管也应该与这个冲击电流限制电路一起使用，以对各种不同的潜在EOS事件提供保护。

06.总结

就像任何其他电子组件一样，LED需要被保护，以防止可能发生的EOS事件，以防 止LED电路和系统中的LED出现故障。在设计LED系统时，我们建议您始终相当注意保护电路，以及系统的热、电气和光学方面。一个坚固的LED系统设计确保了 一个可靠、持久、安全的LED系统。在现实中，大多数EOS诱导的故障都是由于激增或突发事件引起的。

这两者都通常应该由电源本身来阻止，良好的电源设计或高性能的LED驱动电路都可以很好地处理浪涌。然而，由于浪涌根据其持续时间、频率和强度，这些因素都会使得突发性事件影响更为严重，并可能通过电源使得LED模块损坏。必须使用合格的标准化电源来防止突发冲击和突发事件的产生。此外，不建议热插拔LED或LED系统，特别是在测试期间。

编辑：黄飞