基于LED照明驅動電路失效機理的原理和方法

1.引言

近幾年從事LED制造、和研發的人員大大增加。LED企業亦如雨后春筍般成長。由于從事LED驅動研發的企業和人眾多，其技術水平參差不齊，研發出來的LED驅動電路質量好壞不一。導致LED燈具的失效時常發生，阻礙了LED照明的時常推廣。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。本文試著從實際的LED電源驅動電路這一方面，分析其電路的工作原理，然后試著從在不同環境下的LED驅動電路下，分析各種工作敏感參數對失效的影響，來進行失效模式的分析，最后，通過仿真來驗證結果。并從理論上給出失效的解決方案。

2.LED驅動電路原理

LED是一種半導體材料制造而成發光二極管，只能夠單向導通，而且其導通電壓不高，正向導通電流也不能太大，所以對LED的供電電源有了一定的要求，這時LED驅動電路應運而生。實際使用中，大多數的LED產品都是使用交變電源作為LED驅動電路的電源輸入，通過驅動電路變成穩壓輸出形式或者恒流輸出形式的一種電路。LED驅動電路，根據不同的劃分標準可以劃分為很多類型，目前以電路的驅動原理，可以劃分為兩大類：一類為線性驅動電路，一類為開關型驅動電路。

2.1 線性驅動電路

線性驅動電路原理圖如圖1所示，從結構上一般都包含了以下的幾部分，整流電路，濾波電路，穩壓電路。

?

?

圖中運用全波橋式整流，使交變電源整流成單向的脈動電壓。濾波電路采取RC濾波，由濾波電路濾波出來的電壓值已經比較接近于直流電源了，但是，由于電網上的電壓波動，導致驅動電路的輸出電壓發生波動，這對于LED來講，是致命的。所以濾波之后的電壓需要加上一個穩壓電路。以使線性驅動電路可以保持比較平穩的電壓來驅動LED.

在線性驅動電路中，LED的亮度與通過電流成函數關系，而與加在LED上面的壓降無關。從上面的電路原理圖可以看出，線性LED驅動電路，結構簡單，易于實現，研發周期短，生產成本低，體積小巧，而且，由于沒有使用很多的大容量電容和電感，電路設計上不需要考慮EMI問題?？梢赃m用于低電流照明系統。

2.2 開關型驅動電路

開關型驅動電路原理圖如圖2所示，是將輸入的交變電壓通過整流電路整流和濾波穩壓之后，通過開關狀態，來控制LED的電流或者電壓，使LED可以平穩地發光。下面給出一個典型的開關型的驅動電路來逐步分析開關型驅動電路的工作狀態。

?

?

從圖2可見，開關型L E D驅動電路可以劃分為以下的幾部分：低頻整流濾波電路、自激振蕩電路、穩壓電路、取樣脈寬調整電路和高頻整流濾波電路等。

市電交流220V通過12V的變壓器降壓，然后經過橋式整流二極管3N258和電容C2組成低頻整流濾波電路，轉換成一個類直流電電源。功率三極管Q1、Q2、Q3和電容C5電阻R2組成一個自激震蕩電路，其中Q2是PNP管，為脈寬調整管，Q1和Q3一個為PNP管，一個為N P N管，兩個管子復合組成開關調整器，C5、R2通過調整參數可以設置器振蕩頻率。利用這個自激振蕩電路，可以將類直流電源轉化為一個高頻的脈沖信號。高頻信號的頻率可以通過選頻特性算出?？梢哉{整高頻脈沖的占空比，來調整設備輸出的能量。電流流經電感時，會在L的兩端產生感應電動勢，當電流消失時，感應電動勢會在電路的兩端產生一個反向電壓，若這個反向電壓大于某些元器件的反向擊穿電壓時，將會損壞這些器件。利用一個續流二極管D2并聯在電感的兩端，通過R4和C6組成的回路，使這個反向的感應電動勢有一個泄通回路。

R 6、R 7、R 8組成的取樣電路和R 5、D3組成的基準源電路用來對高頻信號進行脈寬的調整，來調節開關管的飽和導通時間，進而調整電源的輸出電壓。其中R7為可調電阻，方便對這個電壓的調整。

從上面的分析可以看到，開關型LED驅動電路相比于線性驅動電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過調整脈寬來調整電流，輸出的電流精度十分高，使LED亮度可以受控，適用于與大型的照明場合和電流輸出比較打的場合。

3.LED驅動失效機理分析

3.1 LED驅動電路失效原因分析

(1)浪涌電流和浪涌電壓

由于驅動電路的開啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時間短，導致的瞬間大電流;由于電網上的電壓波動和浪涌電壓的沖擊，導致驅動電路上的二極管和電阻等器件的瞬間大電壓。這可能會對LED驅動電路上的器件造成永久性的損傷。

(2)靜電放電

靜電放電，即ESD現象。由于電量在極短的時間內泄放，往往起靜電泄放電壓可以達到幾千伏特。這對于半導體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅動IC的內部結構發生損毀。