深度剖析串联LED照明的电路保护

发光二极管 （LED） 是易碎的设备，会暴露在热、机械冲击、静电放电和闪电中，尤其是在户外使用时。由于LED灯串在照明和背光中的使用越来越多，研究人员需要更加关注LED灯串的可靠性。高亮度LED由于其蓝宝石衬底，对附近雷击引起的电压瞬变非常敏感。即使在家庭应用中，LED灯串仍然需要静电放电（ESD）保护，以确保整个组件的长期可靠运行。在没有这种保护的情况下，如果串联中的一个LED发生故障并且电路断开，则所有其他LED都将熄灭。

1 LED照明系统保护

电源和LED驱动器可以使用许多保护器件，许多出版物可以指导选择。图1中的电路是LED街道照明系统中开关电源保护的示例。在该电路中，交流保险丝针对可能导致过流情况的主要系统故障提供基本的防火保护，可承受从 3KA 到超过 6KA 的浪涌而不会中断。在下游组件发生故障时，直流保险丝可用于 DC-DC 转换器或 LED 驱动器电路中的快速过流保护。

图1.LED路灯电路示例

在电路交流输入侧，我们还需要处理过压事件和电压瞬变。它们通常是由附近的雷击引起的，但它们也可能通过电力线的瞬态变化而发生。过压条件的典型保护是金属氧化物压敏电阻（MOV），可与瞬态电压抑制器（TVS）结合使用。电源保护电路也需要与地面隔离，以防止可能的电击危险（这些规范包含在IEC / UL 60950-1，UL 19和IEC / UL 6500中）。图 2 显示了满足这些要求的解决方案。该设计集成了金属氧化物压敏电阻和瞬态电压抑制器。

图2.LED照明的电源输入过压保护方案示例

此外，过压保护也应考虑进入LED驱动芯片。适当的去耦电容以及额定线路驱动器电源电压的TVS器件将提供非常稳定的设计。一些LED驱动器制造商包括一个检测开路LED串的电路，但该电路不应与保护灯串的电路混淆。如果指示灯出现故障，请保持指示灯串运行。

2 单LED保护

LED 灯串内的旁路保护（图 3）允许该灯串在单个 LED 失效断开时继续工作。通过限制 LED 灯串上的任何过大电流或电压来帮助保护 LED 驱动器。

图3.使用合适的旁路保护器保护LED串中的单个LED不仅可以保持LED串静止

能够点亮，但也有助于保护LED驱动器免受过流和过压（可能是由于LED故障）

当提到单个LED的保护时，需要在LED串内安装串联电路分支，选择正确的保护器件是必不可少的。这需要了解LED故障的潜在机制以及不同类型的保护器件的工作原理。这种理解有助于电路设计人员选择合适的器件，包括当LED因开路而发生故障时保持LED串仍运行的器件。

3 LED控制和故障模式

该系列 LED 灯串由开关电源产生的恒定电流驱动，该开关电源将 LED 灯串驱动至全亮度、颜色和强度。恒流源可以更好地控制LED组的亮度，并使LED组的亮度更均匀。LED是一种脆弱的固态器件，本质上是一个二极管，配置为P-N结，在正向偏置时发光。主要的LED故障机制基本上是机械和热的，包括热循环，热冲击和在高温下工作的LED（这可能导致电线焊接老化和故障）。随着金属氧化并随着时间的推移变脆，LED故障的可能性增加。由ESD事件或附近的雷击引起的浪涌是LED故障的另一个常见原因。

设备选择的电路保护参数

LED保护器件选择的主要参数是单个LED的额定电流和额定功率，正向电压和LED驱动器恒流输出电压。典型的高亮度 LED，额定功率为 1 瓦和 3 瓦。额定功率下的高亮度LED 最大电流消耗可以通过以下公式轻松确定：

I=P/VF

其中I是电流，P是LED额定功率，VF是LED正向电压。LED 有不同的额定功率，因此这些值会相应变化。同时，发射不同波长（颜色）的LED具有不同的压降。例如，红色LED的VF通常低于白色LED，消耗更多的电流。主要的可靠性问题是，如果高亮度LED发生故障，则形成连续运行的开放式高亮度LED串。这个问题在需要高可靠性光源的应用中至关重要。

许多户外应用都位于地面之外，因此一个小事故可能会变成一个大问题。串联中，单个高亮度LED开路的故障会导致大量的费用和不便，因为必须修复整个组件。

5 潜在的LED旁路保护器分析

为了保护单个高亮度LED，防止单个高亮度LED发生故障时整个系列的高亮度LED熄灭，必须在高亮度LED端子上安装旁路保护器。有许多器件需要考虑，包括压敏电阻、晶闸管、齐纳二极管、静电放电保护器和LED开路保护器。

6 压敏电阻

这些器件最适合相对较高的电源线瞬变，尤其是由雷击和大感性负载转换引起的瞬变。不幸的是，这些设备不能快速响应，并且无法保护LED免受可能导致LED故障的低电平瞬变的影响。除了这个缺点之外，如果LED无法打开，压敏电阻无法提供电流路径，因此整个LED串将熄灭。压敏电阻产生的热量也可能是发光二极管的问题。

在故障LED附近，晶闸管可以路由电流，以防止LED串的其余部分发光。但是，这些器件是大型器件，通常需要电阻分压器来设置触发电压。在不同的温度下，晶闸管触发电压变化可能非常大。此外，反向阻断电压过高，因此晶闸管无法提供反极性保护。

8 齐纳二极管

虽然齐纳二极管通常比SCR小得多，但其他问题仍然存在。当一个LED无法形成开路时，齐纳二极管必须引导串中的所有电流。大多数齐纳二极管的额定电流相对较低，因此对于此类应用而言，它们的使用寿命相对较短。齐纳二极管还会引起微环境热事件，从而导致进一步的LED故障。

9 聚合物防静电保护器

这些器件通常专用于高速数字电路，不用于直流线路保护，就像LED串一样。它们比硅器件具有更高的动态电阻，因此它们的钳位电压太高，无法保护脆弱的LED。此外，它们不提供过载保护或反极性保护。

10 LED开路保护器

这些器件专门设计用于固定 LED 串的其余部分，并在 LED 发生故障时仍能正常工作。它们是安装在每个LED端子上的紧凑型硅基器件。作为旁路器件，它们能够在开路LED周围路由电流，使其余LED串保持照明。一些LED开路保护器还提供静电放电/照明和反极性保护，从而降低了照明电路成本并消除了对额外保护元件的需求。

11 LED开路保护器操作

LED开路保护器是一种双端子器件，由LED内部触发，如果LED本身被修复或更换，则会自动复位。该保护器是一种电压触发开关，具有低泄漏，类似于微安开关。当它被触发时（图 3），它成为一个低阻抗微安开关，将功耗降至最低。过孔状态 LED 下降约 0.7V，不足以打开保护器器件。一旦出现开路 LED 故障，就有足够的电路电压触发保护器进入过孔状态（由 LED 驱动器电路提供的恒流输出电压）。图 6 中描述的 PLED3 系列还具有内置抗浪涌功能，有助于保护 LED 免受附近雷击或静电放电事件引起的浪涌的影响。

以 Littelfuse PLED6 系列器件为例，作为典型的 LED 开路保护器。图 显示了 VBR、IS、IH、IT 和 VT 的关键参数。如V-I曲线所示，VBR定义了器件的开路额定电压和击穿电压额定值之间的区域。在关断状态下，VBR是可以施加到器件的直流和交流电压的连续峰值组合，这导致通过器件的电流小于5 μA（从6到33 V DC的各种最小VBR额定值是可行的）。IS 是在应用最低 VBR 时可能导致设备从关闭状态切换到通过状态的当前值。通常，最大IS为100mA。保持电流 （IH） 是将器件保持在导通状态的最小电流要求（典型值为 5mA）。路径状态电压 （VT） 是器件完全导通期间两端的最大电压。IT 是设备在路径中时可以在两秒内通过的最大额定电流（最大值为 1A）。一般来说，LED串电流远低于这个值，这样LED开路保护器就可以保持了。

理想情况下，每个 LED 在 LED 开路保护方案中都有一个保护装置。但是，“预算”保护计划可能会发挥作用。例如，在选择合适的LED开路器件时，可以将PLED安装在两个串联的LED上。一个 LED 故障会导致两个 LED 变暗，但这可将保护成本降低一半。