LED燈具失效分析及其電路保護措施

LED燈具損壞的原因

　　LED燈具失效一是來源于電源和驅動的失效，二是來源于LED器件本身的失效。通常LED電源和驅動的損壞來自于輸入電源的過電沖擊(EOS)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅動電路中驅動芯片的損壞，以及電容等被動元件發生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動電路的過電流驅動，驅動電路有可能發生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞。LED器件本身的失效主要有以下幾種情況。

　　1.瞬態過流事件

　　瞬態過流事件是指流過LED的電流超過該LED技術數據手冊中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產生也可能是由高電壓間接產生，如瞬態雷擊、開關電源的瞬態開關噪聲、電網波動等過壓事件引起的過流。這些事件都是瞬態的，持續時間極短，通常我們將其稱為尖峰，如“電流尖峰”、“電壓尖峰”。造成瞬態過流事件的情況還包括LED接通電源，或是帶電插拔時的瞬態過電流。

　　對于汽車中的LED照明，ISO7637-2的瞬態拋負載浪涌沖擊則是其正常工作的一個重要威脅。

　　LED遭受過電沖擊后的失效模式并非固定，但通常會導致焊接線損壞，如圖1所示。這種損壞通常由極大的瞬態過電流引起。除了導致焊接線燒斷外，還可能導致靠近焊接線的其他部分損壞，例如密封材料。

　　圖1：LED焊接線燒斷損壞。

　　2.靜電放電事件

　　靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導體器件制造、運輸和應用中最為常見的一種瞬態過壓危害，而LED照明系統則須滿足IEC61000-4-2標準的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電，以防止系統在靜電放電時有可能導致的過電沖擊失效。

　　LED PN結陣列性能將出現降低或損壞，如圖2所示。ESD事件放電通路導致的LED芯片的內部失效，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴重的話也會導致LED永久損壞。

　　圖2：LED部分PN結損壞。

　　對于接近80%能量都轉化為熱量的LED照明設計而言，熱管理和故障過熱保護是其面臨的一個挑戰。理論和實踐都已經證明，LED的性能和壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關。當LED芯片內結溫升高10℃，光通量就會衰減1%，LED的壽命就會減少50%。

　　電源及驅動電路的保護

　　由于LED電源和驅動電路容易遭受過電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅動電路設計中要充分考慮各種故障狀態的保護措施，以提高電路的可靠性，從而降低返修率。泰科電子的LVR系列PTC可以實現交流電源的過流和短路保護，ROV用于過電沖擊和浪涌保護。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過壓過流綜合保護元件，LED燈串中的表面貼系列則是實現負載過流或斷路故障保護(圖3)。

　　圖3：LED燈具電源及驅動電路的保護設計。