小功率LED驅動器中的電路保護

引言

隨著全球范圍能源的緊缺，以及對環境保護的日漸重視，各個國家都提出了節能環保的目標，綠色照明已經成為各個國家的共識。2012年，日本政府將全面禁用白熾燈，中國臺灣地區也宣布，截至2012年底全面禁用高能耗的白熾燈泡。美國也將會從2012年開始，禁售大多數白熾燈泡，并開始逐步淘汰40W、60W及以上功率的白熾燈泡。由于LED照明具有高節能以及綠色環保等顯著優點，而且LED燈的壽命可以長達10萬小時，所以對于照明領域，LED照明已經成為不可逆轉的趨勢。針對LED燈的超長壽命，驅動電路的可靠性也日漸重要，本文介紹選擇正確保險絲的一般流程，并通過實例探討小功率LED驅動器中的電路保護問題。

選擇正確保險絲的一般流程

保險絲在電路中主要有三項基本功能，即保護功能，承載功能和安全功能。

通常選擇保險絲需要注意以下十大要素：

1.額定電流；

2.額定電壓；

3.工作溫度；

4.電壓降 / 冷電阻；

5.熔斷特性: 時間-電流特性和過載能力；

6.分斷能力；

7.熔化熱能值；

8.耐久性（壽命）；

9.結構特征：外形/ 尺寸和安裝形式；

10.安規認證

概括來講選擇正確的保險絲應當具備適當的熔斷特性和額定電流；足夠而合理的抗浪涌能力；合適的分斷能力、額定電壓和安全認證，同時還要協調好保護性能和耐浪涌能力之間的關系。

保險絲從熔斷性能可分為快熔斷型和慢熔斷型兩種，快熔斷型保險絲通常適用于沒有或很小浪涌的阻性電路或敏感器件的保護，慢熔斷型保險絲則通常適用于開關電源或者熱插拔時有浪涌電流的容性或感性電路。TE Connectivity 2410SFV系列保險絲則是抗浪涌能力較大的中空型表面貼裝保險絲，它可應用在高電壓有較大浪涌脈沖的電路保護中。

目前工程師在選擇保險絲時，都會選擇抗浪涌能力大的，即I2t值大的保險絲，其實這是個誤區，選擇正確的保險絲不是電流值越大越好，也不是I2t值越大越好，并不能簡單根據慢斷還是快斷保險絲來選擇，而是根據實際的I2t來選擇合適自己應用的保險絲。

圖1為選擇正確保險絲的一般流程圖。圖2為計算浪涌電流I2t值常見的波形和公式。

圖1 保險絲選擇流程圖

由此可見，選擇保險絲不僅要考慮電流折減和最高工作環境溫度，而且還必須需要考慮接通電源所造成的電流浪涌，然后在穩態電流計算值和瞬態電流計算值之間取較大者。

圖2 浪涌電流I2t值常見波形和公式

小功率LED照明中保險絲選擇實例

雖然現在LED的壽命可以長達10萬小時，但是LED的高結溫會很大程度影響LED壽命，在LED照明設計中，LED目前的轉換效率仍為兩成左右，即有高達八成的電能會轉換成熱能。LED的溫度對光通量與波長都會有一定的影響，但更重要的是溫度對LED本身壽命的影響，LED溫度越高其壽命會越短。因此散熱問題仍舊是LED照明面臨的一項重要挑戰。

目前各大廠家采用的解決方案是用鋁基板來為LED散熱，因為鋁的導熱系數很高，可以有效將內部熱量導出。通常，在設計散熱器時，散熱片表面積越大，散熱性能越好。在散熱器尺寸有限的情況下，加大散熱器溝道深度是增加表面積的有效方法。但伴隨散熱器溝道深度的增加，LED電源驅動板的內部安裝空間會相應減少。這將驅使LED球泡燈的電源驅動板朝小型化方向發展，這就要求元器件都能小型化，最好能采用貼片封裝的器件。

在TE Connectivity 2410SFV系列保險絲問世之前，在LED驅動電路電源輸入端的保險絲主要采用玻璃管保險絲、小黑豆保險絲或者Micro型保險絲，他們的共同特性都是插件形狀，占用PCB空間大，用玻璃管保險絲有時還需要加配熱縮套管，這樣裝配成本就會大大增加。但是在TE Connectivity 2410SFV系列保險絲問世之后，如果在電源輸入端采用貼片型高壓保險絲, 就可以顯著減少驅動電路PCB空間。通過試驗證明，在相同的LED驅動電路板上，相比傳統的玻璃管保險絲或者小黑豆保險絲，采用TE Connectivity 2410SFV保險絲會節省最高達80%的空間。通常LED驅動電路板都會做成單面PCB，但是同時會用到插件和表貼的器件，所以有時候LED照明廠家也會用波峰焊來完成所有的焊接，這樣保險絲就要承受高溫而不能脫落端帽，由于TE Connectivity 2410SFV系列保險絲是采用FR4 PCB玻璃纖維強化環氧樹脂為基體的特殊工藝, 以PCB上的銅箔為端子架構, 再經電鍍處理來完成整個流程，這樣有效避免了端子頭脫落的風險。因此TE Connectivity 2410SFV系列保險絲滿足LED照明小型化的要求，而且通過UL安規認證，也滿足LED的特殊工藝要求。

圖3是一典型的LED驅動電路圖，采用Flyback電路結構。圖中F1是用于過流保護的保險絲，R1是用于抑制浪涌電流的NTC，NTC的參數可以按照具體應用來確定，C5是用于交流轉成直流以及儲能的電解電容。浪涌電流的大小受圖3中電解電容值的大小、材質，以及是否采用PFC方案來決定。通常，電解電容的容值越大，浪涌電流也會越大，電解電容的材質越差，浪涌電流就會越大，如果LED驅動方案采用PFC方案（包括有源和無源PFC），浪涌電流值就會相應減小，反之亦然。

圖3 典型的LED驅動電路圖