LED照明的保护电路性能分析

 LED热管理对于正确的色彩再现和安全操作至关重要。虽然设计人员非常重视电源管理以控制过热，但不要忽视过压和过流保护。

随着政府机构，工业和消费者寻求降低能源成本的方法，照明技术已成为人们关注的主要领域。近年来，发光二极管(LED)技术在价格，性能和可制造性方面取得了令人瞩目的进步，优化LED运行的进一步改进预计将推动照明市场的指数增长。然而，尽管该技术越来越受欢迎，但LED制造商继续努力解决这样一个事实：如果没有足够的热管理，热量会降低LED的使用寿命并影响颜色输出。此外，由于LED驱动器是硅器件，它们可能会失败。这意味着可能需要故障安全备份过流保护。

LED技术发展迅速，芯片设计和材料得到改进，有助于开发更明亮，更持久的光源，可用于各种应用。然而，LED灯具需要精确的电源和热管理系统，因为提供给LED的大部分电能转换为热而不是光。

可复位的聚合物正温度系数(PPTC)器件已经证明了它们在各种LED照明应用中的有效性。与传统保险丝一样，它们在超过规定限值后限制电流。但是，与保险丝不同，PPTC设备能够在故障清除和电源循环后复位。

各种过压保护器件，包括金属氧化物压敏电阻(MOV)，静电放电(ESD)浪涌保护器件和聚合物增强型齐纳二极管，可与PPTC器件协调使用，有助于提高LED性能和可靠性。

热传导比较

使用60 W白炽灯泡的照明灯具可产生约900流明的光，并且必须通过传导消耗3 W的热量。相比之下，使用典型的DC-LED作为光源来实现相同的900流明将需要大约12个LED。假设VF(正向电压)为3.2 V，电流为350 mA，LED灯具的输入功率可以计算为：

功率= 12 x 3.2 V x 350 mA = 13.4 W

在这种情况下，大约20%的输入功率转换为光，80%转换为热量;取决于与衬底不规则性有关的各种因素和发热，以及声子发射，结合，使用的材料等。在LED产生的总热量中，90%通过传导传递。图1显示，为了从LED的结点散热，传导是转移的主要通道，因为对流和辐射仅占总传热的约10%。例如，LED可以转换接近10.72 W的热量(13.4 W x 0.80)。其中，通过传导将9.648W(10.72W×0.90)的热量从结转移或除去。

图1：各种光源的散热比较。

结温效应

LED的光学特性随温度变化很大。随着结温升高，LED发出的光量减少，并且对于某些技术，发射的波长随温度而变化。如果没有正确管理驱动电流和结温，LED的效率会迅速下降，导致亮度降低和寿命缩短。

与结温相关的另一个LED特性是LED的正向电压(图2)。如果仅使用简单的偏置电阻来控制驱动电流，则VF会随着温度上升而下降并且驱动电流会增加。这可能导致热失控，特别是对于高功率LED，并导致组件发生故障。通常的做法是通过将LED安装在金属芯PCB上来控制结温，以提供快速的热传递。

图2：结温升高时的正向压降。

电源线耦合瞬态和浪涌还可以缩短LED寿命，并且许多LED驱动器易受直流电压电平和极性不当造成的损坏。 LED驱动器输出也可能因短路而损坏或损坏。大多数LED驱动器都包含内置安全功能，包括热关断，以及开路和短路LED检测。但是，可能需要额外的过流保护装置来帮助保护集成电路(IC)和其他敏感电子元件。

LED驱动器输入和输出保护

LED采用恒定电流驱动，正向电压从低于2 V变化到4.5 V，具体取决于颜色和电流。较旧的设计依赖于简单的电阻来限制LED驱动电流，但是根据制造商规定的典型正向压降设计LED电路会导致LED驱动器过热。

当LED上的正向压降降低到明显低于典型值时，可能会发生过热。在这种情况下，LED驱动器两端的电压增加会导致驱动器封装的总功耗增加。

今天，大多数LED应用利用电源转换和控制设备与各种电源(即AC线，太阳能电池板或电池电源)连接，以控制LED驱动器的功耗。使用可复位的PPTC设备可以保护这些接口免受过流和过热损坏。

PPTC器件在正常工作电流下具有低电阻值。在过流情况下，器件“跳闸”进入高阻状态。这种增加的电阻有助于通过将在故障状态下可以流动的电流量减少到低的稳态水平来保护电路中的设备。设备保持在锁定位置，直到故障被清除。一旦电路的电源循环，PPTC器件就会复位并允许电流恢复，从而使电路恢复正常工作。

图3显示了开关模式电源(SMPS)和LED驱动器输入和输出的协调保护方案。如图的左侧所示，PPTC器件(如可复位的PolySwitch™器件)可与电源输入串联安装，以帮助防止因电气短路，电路过载或客户误操作而造成的损坏。此外，放置在输入端的MOV有助于在LED模块中提供过压保护。

PPTC设备也可以放在MOV之后。许多设备制造商更喜欢将可复位PPTC设备与上游故障安全保护相结合的保护电路。在该示例中，R1是与保护电路结合使用的镇流电阻器。

LED驱动器可能容易因直流电压水平和极性不当而损坏。输出也可能因无意的短路而损坏或破坏。有源端口也容易受到包括ESD脉冲在内的过压瞬态损坏的影响。

图3的右侧显示了LED驱动器和灯泡阵列的协调电路保护设计。放置在驱动器输入端的PolyZen器件为设计人员提供了传统钳位二极管的简单性，同时避免了大量散热的需要。该器件由TE Circuit Protection开发，采用独特的聚合物保护精密齐纳设计，可在单个紧凑型封装中提供瞬态抑制，反向偏置保护和过流保护。

如图3所示，驱动器输出上的PolySwitch PPTC器件可以帮助防止意外短路或其他负载异常造成的损坏。为了充分利用PolySwitch器件，它可以热粘合到金属核心电路板或LED散热器上。为了防止ESD事件造成的损坏，TE Circuit Protection的低电容，小型PESD器件等保护器件可以与LED并联放置。

图3：使用PolySwitch PPTC器件和用于SMPS的MOV器件(左)以及用于LED驱动器输入和输出的PolyZen，PolySwitch和PESD器件的协调保护方案(右)。

交流电源LED照明保护

MOV通常用于交流线电压应用中的瞬态过电压抑制。在正常工作条件下，施加到MOV的交流线路电压预计不会超过设备的最大交流均压(VAC RMS)额定值，并且，如果瞬态能量不超过MOV的最大额定值，则短时瞬态事件是钳位到合适的电压水平。然而，持续的异常过电压/限制电流条件(例如中性线损失)可能导致MOV进入热失控状态。

新型热增强型MOV有助于保护各种低功率系统免受过流，过热和过压故障造成的损坏，包括雷击，ESD浪涌，中性线损失，输入电压误差和电源感应。图4显示了TE Circuit Protection的2Pro器件如何帮助为AC电源LED照明系统提供这种集成保护。

图4：典型照明应用使用AC 2Pro设备进行低功率AC/DC反激式转换器保护。

2Pro设备将PPTC技术与MOV组件结合到一个受热保护的设备中，以便在发生过流或过压事件时提供可重置性。该集成器件方法旨在帮助制造商满足行业要求，例如IEC61000-4-5和IEC60950。