LED照明摆脱故障失效困扰

 LED灯串中，若有一颗发生故障断路(Open-circuit)，将导致所有LED熄灭。因此，业界提出新的LED断路保护器解决方案，确保LED灯串其中一颗出现故障断路时，其他LED仍能正常工作，同时还可防止雷击或静电放电(ESD)所造成的损坏。

　　LED通常串联在灯串中，若灯串中其中一个LED因故障断路(Open-circuit)，灯串中的所有LED都会熄灭。但如果一个LED短路(Short)，那么灯串的其他部位基本上不受影响。有鉴于此，业界提出能在灯串中其中一颗LED因故障断路，但其他LED保持正常工作，并能同时防止其他电子故障的解决方案--LED断路保护器。

　　LED断路保护器可以与灯串中的每个LED并联，将断路故障的LED电流分流(Shunt Current)，以保持灯串其余部分LED继续工作。当电路中发生过电压并导致灯串发生过电流，或者在电极接反时，保护器同样可以发挥作用。

　　业界设计工程师为达到LED断路保护目的，尝试许多元件，如齐纳二极体(Zener Diode)、金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor, MOV)和矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier, SCR)，但LED断路保护器仍系业界首选，因为LED断路保护器是专为上述应用设计的。如图1所示，当一颗LED出现断路故障，其两端的电压试图上升到电源的恒流输出电压。LED断路保护器感测到这一电压上升，并开始导通，限制其压降至1.3伏特(V)左右，以保持LED灯串其余部分正常工作。

　　图1　当一个LED出现开路故障，LED断路保护器开始导通，限制其压降至1.3V，并保持串中剩余部分正常工作。

　　LED断路保护器具有不同的特性和额定电压可选。部分保护器可保护灯串中的个别LED，其他的方案则可以允许设计工程师用一个单一保护器确保两个到五个LED，以节约成本。业界厂商前几年推出的LED断路保护器已可以提供断路LED和雷击浪涌(Lightning Surge)保护，但是对于ESD事件和极性反接的保护却不太理想。新一代的LED断路保护器可以同时提供ESD与极性反接保护，设计人员应根据应用中的可能故障情况和需求选择新一代元件。

　　ESD和雷击保护

　　ESD在组装或现场安装时能进入到LED灯串中，这可能来自於机器到LED灯串或人体接触到LED灯串；雷电可以通过两种方式进入LED灯串--附近的雷击可能会在电源中造成瞬变，耦合LED驱动器并进入灯串，或者附近的雷击可能在LED驱动器供电轨上，也可能在接到LED灯串线路上造成电气瞬变。

　　雷击浪涌具有8?10微秒的上升时间(图2)，而ESD事件的上升时间仅有几奈秒(ns)(图3)，其中差异取决於检测方法。早期的LED断路保护器只能抵御雷击，但不能抵御ESD事件。新一代的LED断路保护器，以Littlefuse PLED 5系列为例，可以应对在±15千伏特(kV)空气放电、±8千伏特接触放电的ESD事件，以及±40安培(A)5/50奈秒(ns)的电气快速暂态(Electrical Fast Transient, EFT)。

　　图2 雷电冲击具有8~10微秒的上升时间。

　　图3 ESD事件具有几奈秒的上升时间。LED断路保护器可以应对在＋-15kV空气放电、＋-18kV接触放电的ESD　　极性反接保护

　　LED灯串受到极性反接影响的最为常见的方式是在现场安装时，灯串放置或方向错误，导致LED灯串反向通电。

　　业界LED断路保护器的模型具有1.1~1.6伏特的反向偏置导通电压(图4)，比一个典型高功率LED的反向击穿电压要小得许多，对比其他元件，它们的反向偏置导通电压，以及正向偏置导通电压相似。

　　图4 PLED 5 LED具有1.1~1.6V的反向偏置导通电压，可以提供极性反接保护。

　　当一个装有PLED 5的LED灯串被反向通上电源时，所有保护器都会开始导通，将这些被保护的LED上的电流分流以保护LED不受伤害。在反向电极纠正之後，保护器会关闭，LED持续正常工作。

　　LED断路保护器评估原则

　　在选择合适的LED断路保护器前，须做以下评估：

　　LED保护方案需求为何

　　在LED保护元件中，以Littelfuse PLED 9系列到18系列为例，该方案可以允许通过使用单独一个元件来保护两个、三个、四个或五个LED，从而降低成本。代价是，如果一个LED失效，所有由该元件保护的LED灯全部会熄灭。对於像街道照明这样的应用，这很可能是可以被接受的。但如果须要解决在灯串中出现暗点的问题时(例如在照明广告招牌中)，设计人员应该使用能够保护每一个独立LED的断路保护器方案。

　　安装地区是否具雷击风险

　　LED是否安装在户外并可能会受到附近雷击？进行安装的人员是否能确保使用正确的ESD保护措施(如接地)，或他们是否在这些注意事项上受过充分培训？如果这些问题都有可能发生，那麽能提供雷击、EDS和电极反接保护的保护器将是理想选择。