ofweek分享：led燈具損壞的常見原因及解決方案
將高功率白光led作為新型綠色照明時，將擁有諸如光轉換效率高、功耗低，壽命長，無需維護等優點，因而逐漸被應用於各種照明領域。led的長使用壽命是基於其安全的工作環境。對於led照明來講，主要有兩種威脅影響其壽命；一種是過電衝擊，此處的過電衝擊就是led上施加的電流超過該led技術資料手冊中的最大額定電流，包括過壓引起的過電流衝擊；另一種則是過熱損傷。
這些損壞可以表現為元件的立即失效，也可能發生在過電衝擊事件後許久才失效，縮短led工作壽命。
led燈具損壞的原因
led燈具失效一是**於電源和驅動的失效，二是**於led元件本身的失效。通常led電源和驅動的損壞來自於輸入電源的過電衝擊(eos)以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電衝擊往往會造成驅動電路中驅動晶元的損壞以及如電容等被動元件發生擊穿損壞；而負載端的短路故障則可能引起驅動電路的過電流驅動，驅動電路可能發生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞。
led元件本身失效的情況
瞬態過電流事件
瞬態過電流事件，是指流過led的電流超過該led技術資料手冊中的最大額定電流，這可能是由於大電流的直接產生，也可能是因高電壓間接產生，如瞬態雷擊，開關電源的瞬態開關雜訊，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。
對於在汽車中的led照明，iso7637-2的瞬態拋負載突波衝擊，則是其正常工作的乙個重要威脅。
led遭受過電衝擊後的失效模式並非固定，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。
靜電放電事件
esd損壞是目前高整合半導體元件製造，運輸和應用中最為常見的一種瞬態過壓危害，而led照明系統則需要滿足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衝擊失效。
led pn結陣列效能降低或損壞，如圖2所示，esd事件放電通路導致的led晶元的內部失效，這種失效可能只是區域性功能損壞，嚴重的也會導致led的永久損壞。
過熱損壞
對於接近80%能量轉化為熱量消散的led照明設計來講，熱管理和故障過熱保護是其面臨的乙個重要課題，理論和實踐都已經證明，led的效能和壽命是與led的pn結工作溫度緊密相關的。當led晶元內結溫公升高10℃時，光通量就會衰減1%，led就減少壽命50％。
電源及驅動電路的防護
由於led電源和驅動電路容易遭受過電衝擊和短路故障損壞，因此在驅動電路設計中，需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，降低回修率（圖3）。
pptc在led照明中的過流保護和過熱保護
雖然很多高階led驅動元件逐漸整合了過電流、過溫等保護功能，但在許多場合，特別是過熱保護方面，仍然需要分立元件方案作為協同保護方案，以使得燈具具有更高的可靠性和更長的壽命。
pptc就是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻，是由聚合物與導電粒子等構成。在經過特殊加工後，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過（或元件處於正常環境溫度）時，pptc呈低阻狀態；當電路中有異常過電流通過（或環境溫度公升高）時，大電流（或環境溫度公升高）所產生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導電粒子所構成的導電通路，pptc呈高阻狀態；當電路中過電流（超溫狀態）排除後，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，pptc又呈現初始的低阻狀態。
pptc的體積小，成本低，可反覆使用，因而能實現保護功能的自動啟動和自動恢復。
在led照明中，根據燈具應用場合的不同有不同的過熱保護要求，通常分為兩種，分別為達到規定溫度立即斷開關斷保護（圖4），此種保護通常應用於道路交通號誌；另外則是到達一定溫度時啟動保護，進行降電流驅動（圖5），此種保護通常應用於室內照明和道路照明。
圖4圖5
在串聯相結合的巨型陣列照明、或景觀燈的過電流和過熱保護在成本與保護方案的相互平衡中，通常有兩種保護方案可用：
1.分路保護（圖6）。對於多串的led系統，我們可以在每隔支路上串聯一顆 pptc分別進行保護。
這種方式的好處是可以實現精確保護，不會因為某一支路的故障而導致整個燈具的不工作，保護的可靠性好。
2.主幹路保護（圖7）。這種保護就是在燈具的主回路上串聯一顆pptc，對整個燈具進行保護。這種方式的好處是成本低，占板面積小。
此外，pptc可以作為溫度感測器與led驅動器配合使用，實現led陣列照明的過熱保護（圖8），在大型陣列照明中，由於led燈串眾多且結構較為複雜，在實際應用中容易出現過熱故障的位置往往並不固定於某個特定的位置。因此，單顆過熱檢測元件很難提供完善的過熱保護。而pptc在正常工作下的低電阻，以及它的正溫度係數特性，可以方便的將數顆pptc串聯於熱保護檢測電路，實現多點過熱監控。
將多個pptc串聯、並物理安裝於可能出現過熱的部位，由於pptc的低電阻，thrm引腳位準為0，電源電路正常工作；當燈具某處或多處發生過溫故障時，thrm迴路中的一顆或幾顆pptc受熱，電阻急劇上公升，thrm引腳位準變為高位準，從而啟動led驅動器設計的過熱保護方案，實現過熱關斷或過熱折減驅動。這種解決方案對於led面光源的過熱保護可謂經濟且有效。
結論pptc由於其本身的諸多特點，非常適合於led照明系統的過電流和過熱保護，在設計中可以將ptc安裝在金屬芯電路板或led散熱板以實現最佳的熱傳導，使pptc保護更加實時、有效；此外，pptc產品的封裝形式多樣，能根據客戶要求訂製封裝，具備高度彈性。但過熱保護沒有標準解決方案，具體設計必須結合實際燈具，並進行充分驗證。泰科電子非常樂意與業界工程師一起根據實際情況研究解決方案，以降低led照明系統的故障率和維護成本。
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