如何优化串联LED照明电路保护设计

发光二极管(LED)是一种易碎的装置，容易受到热、机械冲击、静电放电及闪电的威胁，特别是在室外应用时。由于照明及背光显示的LED灯串使用的增加，需要研发工程师对LED串的可靠性给予更多关注。高亮度的LED，因其蓝宝石基板，对邻近的雷击闪电攻击造成的电压瞬变非常敏感。即使是在家庭应用，LED串仍需要静电放电(ESD)保护装置，以确保整个组件长期、可靠的运行。在缺少这种保护的条件下，如果串联中的一个LED出现故障，并断开电路，所有其他的LED灯将关闭。

LED照明系统保护

很多的保护装置可以用于电源与LED驱动，且有许多出版物可以对选择提供指导。图1中的电路是演示LED路灯照明系统中的开关电源保护的举例。在该电路中，交流电熔断器提供了基本的防火保护，以应对可能造成过流条件的主要系统故障，但是必须能够容忍3KA至6KA以上的浪涌，而不出现断路。在下游组件出现故障的情况下，直流熔断器可用于直流-直流转换器或LED驱动电路中的快速过流保护。

图1：LED街道照明电路举例，包括与开关电源(SMPS)相关的保护装置

在电路的交流电输入侧，还需要处理过压事件与电压瞬变。它们通常是由附近的雷击造成的，但也可能通过电力线上的瞬间状态变化产生。用于过压条件的典型保护装置是金属氧化物压敏电阻(MOV)，可以与瞬态电压抑制器(TVS)相结合。用于电源保护的电路还需要与地面隔离，防止可能的电击危险(这些规格都包含在IEC/UL60950-1,UL1449与IEC/UL6500)。图2显示了达到这些要求的解决方案。该设计结合了含有瞬态电压抑制器的金属氧化物压敏电阻。

图2：用于LED照明的电源输入过压保护方案举例

此外，也应考虑把过压保护用于LED驱动芯片。适当的去耦电容器，连同为线路驱动器额定电源电压的TVS装置，将提供一个非常稳定的设计。一些LED驱动器制造商把感知开路LED串的电路列入，但该电路不应与保护串的电路相混淆，或如果LED出现故障，要保持LED串处于运行状态。

单个LED保护

LED串内部(图3)的旁路保护装置，可以使该串在单个LED出现故障断开时，继续运行。通过限制整个LED串上的任何过剩电流或电压，有助于保护LED驱动器。

图3：LED串内部的旁路保护装置

使用适当旁路保护装置保护LED串中的单个LED，不仅能够保持LED串仍旧能够照明，而且也有助于保护LED驱动器免受过电流与过电压(可能因LED故障造成)。

当提到保护单个LED时，在LED串内部需要安装串联电路的支路，选择正确的保护装置是至关重要的。这要求理解潜在的LED故障机理及不同类型保护装置的工作原理。这种理解有助于电路设计者选择合适的装置，包括有一个LED因断路原因出现故障时，能够保持系列LED串仍旧运行的装置。

LED控制与故障模式：

串联的LED串由恒定电流驱动，该恒定电流由把串联LED串驱动为充分亮度、颜色与强度的开关电源产生。该恒流电流源提供了对LED组亮度的更好控制以及更均匀的LED组亮度。LED是一种易碎的固态器件，本质上是二极管，构造为P-N结，在正向偏压时，能够发光。主要的LED失效机理本质上是机械与热力，包括热循环、热冲击及在高温下(可能造成丝焊老化与故障)运行的LED。由于金属会发生氧化，且随着时间推移会变脆，LED发生故障的可能性会增加。ESD事件或附近雷击造成的电涌是LED发生故障的另一个常见原因。

保护装置选择的电路参数：

选择LED保护装置中的主要参数是单个LED额定电流与额定功率，正向工作电压及LED驱动器恒流输出电压。典型高亮度LED额定功率在1瓦特与3瓦特之间。额定功率上的高亮度LED最大电流消耗可以通过以下公式简单确定：

其中I是电流，P是LED额定功率，VF是LED正向电压。LED在不同的额定功率范围内都可供使用，因此这些值相应地有所不同。同时，发射不同波长(颜色)的LED有不同的电压降。例如，与白色LED相比，红色LED通常有更低的VF，会消耗更多电流。主要的可靠性问题是，如果一个高亮度LED出现故障，形成开路，高亮度LED串如何连续操作。在需要高可靠性光源的应用中，这个问题是至关重要的。

许多户外应用位于离开地面的位置，因此，一个小的事故就会变成一个大的问题。串联中，单个高亮度LED开路故障可能导致重大费用与不便，原因是必须对整个装配进行维修。

潜在的LED旁路保护装置分析

为了保护单个高亮度LED，并防止整个高亮度LED串联串在单个高亮度LED出现故障时熄灭，在高亮度LED终端必须安装旁路保护装置。有许多装置可以考虑，包括压敏电阻、可控硅整流器、稳压二极管、聚合静电放电保护器及LED开路保护器。

压敏电阻：

这些装置最适合于相对高能的电源线路瞬变，特别是雷击及大型电感负荷转换造成的瞬变。很遗憾，这些装置不能作出快速反应，无法保护LED免受低级别瞬变(可能造成LED故障)的危害。除该缺点外，如果LED出现故障形成开路，压敏电阻不能为电流提供路径，因此整个LED串将关闭。压敏电阻产生的热对发光二极管也可能是一个问题。

可控硅整流器：

在出现故障的发光二极管附近，可控硅整流器可按路径发送电流，以保持LED串的其余部分发光。但是，这些装置是一些大型装置，它们通常需要电阻式分压，以设置触发电压。不同温度上，可控硅整流器触发电压的变化可能会非常大。此外，反向阻断电压太高，因此，可控硅整流器不能提供反极性保护。

稳压二极管：

尽管稳压二极管通常比$控硅整流器小得多，但仍旧存在其他问题。当一个LED出现故障形成开路时，稳压二极管必须引导串联灯串中的所有电流。大部分稳压二极管有相对较低的电流额定值，因此它们的寿命在该种类型的应用中比较短。稳压二极管也会引起微环境热事件，该事件可能会导致进一步的LED故障。

高分子聚合物ESD保护器：

通常这些设备是专用于高速数字电路，不是用于直流线路的保护，与LED串的情况一样。与硅装置相比，它们有较高的动态电阻，因此它们的钳位电压太高，不能保护易碎的LED。此外，它们不能提供过载保护，也不能提供反极性保护。

LED开路保护器：

这些装置是特别设计用于保持串联LED灯串的其余部分，在一个LED出现故障时，仍能够正常运转。它们是紧凑的硅基装置，安装在每个LED终端。作为旁路装置，它们能够在开路LED周围，按路径发送电流，保持LED串的其余部分仍能够照明。一些LED开路保护器还提供静电放电/照明及反极性保护，这样可以减少照明电路成本，消除对附加保护组件的需求。

LED开路保护器运作

LED开路保护器是安装在LED上内部触发的两个终端装置，如果LED自身修复或被更换，它会自动重置。这种保护器是电压触发开关，漏电量低，与微安开关相似，当它被触发时(图3)，就变成低阻抗的微安开关，可最大限度地减少功率消耗。通路状态的LED下降约0.7V，这并不足以打开保护器装置。一旦有一个LED出现故障形成开路，有足够的电路电压来触发保护器至通路状态(恒流输出电压由LED驱动电路提供)。图3中描述的PLED6系列也是以内置抗浪涌为特征的，有助于保护LED免受附近雷击或静电放电事件引发的浪涌。

图4：典型的LED开路保护器V-I特征

拿LittelfusePLED6系列装置作为典型LED开路保护器为例，图4显示了关键的参数为VBR，IS，IH，IT与VT。如V-I曲线所示，VBR定义了该装置的断开电压额定值至击穿电压额定值之间的区域。在断开状态下，VBR是可以应用于该装置的直流与交流电压的连续峰值组合，这导致了通过该装置的电流小于5μA(从6至33VDC的各类最低VBR额定值都是可行的)。IS是电流值，当应用最低VBR时，它可导致装置从断开状态切换到通路状态。通常，IS最大值为100mA。吸持电流(IH)是维持装置处于通路状态时的最低电流需求(通常为5mA)。通路状态电压(VT)是全传导期间穿过装置的最大电压。IT是在通路状态下，两秒内可以通过装置的最大电流额定值(最大值为1A)。通常，LED串电流要远低于该值，这样可使得LED开路保护器继续保持下去。

理想情况下，在LED开路保护方案中，每个LED都有一个保护装置。但是，“预算”保护方案可能发挥作用。例如，当选择适当的LED开路装置时，可以在串联中的两个LED上安装一个PLED。一个LED故障会导致两个LED变暗，但这削减了一半的保护成本。

结论

照明设备制造商正在向生产LED进行转型，因为LED设备成本低，性能高，维护少，并且它们的寿命可持续数万小时。但是，它们仍然需要防静电保护，尤其是在高可靠性应用方面，例如，在恶劣环境中布署的安全关键照明设备。事实上，与传统照明设备相比，户外LED照明设备具有不可靠性，除非设计师增加了适当的电路保护，以防止最严重的过压情况出现。

第一道防线是良好的电路保护方案，把输入电源延伸至各个LED。LED开路保护装置可以应对重大的超电压瞬变，当一个LED发生故障形成开路时，保持串联的其他LED仍旧可以照明。尽管这样的保护是有益的，但它仍然只是总保护方案的一部分，总保护方案应包括保护开关式电源与LED驱动器的熔断器、MOV与TVS装置。