LED的長壽命是基于其安全的工作環(huán)境,，對于LED照明來講,，主要有兩種威脅影響其壽命：一是過電沖擊,，就是LED上施加的電流超過該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊中的最大額定電流,，包括過壓引起的過電沖擊;另一種是過熱損傷,。這些損壞可以表現(xiàn)為器件的立即失效，也可能發(fā)生在過電流沖擊事件后許久才失效,，縮短LED工作壽命,。
LED燈具損壞的原因
LED燈具失效一是來源于電源和驅(qū)動的失效,，二是來源于LED器件本身的失效,。通常LED電源和驅(qū)動的損壞來自于輸入電源的過電沖擊(EOS)以及負(fù)載端的斷路故障。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的損壞,，以及電容等被動元件發(fā)生擊穿損壞,。負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動電路的過電流驅(qū)動，驅(qū)動電路有可能發(fā)生短路損壞或有短路故障導(dǎo)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(tài)過流事件
瞬態(tài)過流事件是指流過LED的電流超過該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊中的最大額定電流，這可能是由于大電流直接產(chǎn)生也可能是由高電壓間接產(chǎn)生,，如瞬態(tài)雷擊,、開關(guān)電源的瞬態(tài)開關(guān)噪聲、電網(wǎng)波動等過壓事件引起的過流,。這些事件都是瞬態(tài)的,，持續(xù)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(tài)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(tài)過電流,。
對于汽車中LED照明，ISO7637-2的瞬態(tài)拋負(fù)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(dǎo)致焊接線損壞，如圖1所示,。這種損壞通常由極大的瞬態(tài)過電流引起,。除了導(dǎo)致焊接線燒斷外，還可能導(dǎo)致靠近焊接線的其他部分損壞,，例如密封材料,。
2.靜電放電事件
靜電放電(ESD)損壞是目前高集成度半導(dǎo)體器件制造、運輸和應(yīng)用中最為常見的一種瞬態(tài)過壓危害，而LED照明系統(tǒng)則須滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的“人體靜電放電模式”8kV接觸放電,，以防止系統(tǒng)在靜電放電時有可能導(dǎo)致的過電沖擊失效,。
LED PN結(jié)陣列性能將出現(xiàn)降低或損壞，如圖2所示,。ESD事件放電通路導(dǎo)致的LED芯片的內(nèi)部失效,，這種失效可能只是局部功能損壞，嚴(yán)重的話也會導(dǎo)致LED永久損壞,。
對于接近80%能量都轉(zhuǎn)化為熱量的LED照明設(shè)計而言,，熱管理和故障過熱保護(hù)是其面臨的一個挑戰(zhàn)。理論和實踐都已經(jīng)證明,，LED的性能和壽命是與LED的PN結(jié)工作溫度緊密相關(guān),。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)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(qū)動電路的保護(hù)
由于LED電源和驅(qū)動電路容易遭受過電沖擊和短路故障而損壞，因此在驅(qū)動電路設(shè)計中要充分考慮各種故障狀態(tài)的保護(hù)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(xiàn)交流電源的過流和短路保護(hù),，ROV用于過電沖擊和浪涌保護(hù),。POLYZEN系列是用于直流電源輸入口的過壓過流綜合保護(hù)元件，LED燈串中的表面貼系列則是實現(xiàn)負(fù)載過流或斷路故障保護(hù)(圖3),。
PPTC在LED照明中的過流和過熱保護(hù)
雖然許多高端LED驅(qū)動器件逐漸集成了過流,、過熱等保護(hù)功能，但在許多場合,，特別是過熱保護(hù)方面,，仍然需要分立元器件方案作為協(xié)同保護(hù)方案，以使燈具具有更高的可靠性和更長的壽命,。
PPTC是指高分子聚合物正溫度熱敏電阻,，是由聚合物與導(dǎo)電粒子等構(gòu)成，經(jīng)過特殊加工后,，導(dǎo)電粒子在聚合物中構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路,。當(dāng)正常工作電流通過(或元件處于正常環(huán)境溫度)時，PPTC呈低阻狀態(tài),。當(dāng)電路中有異常過電流通過(或環(huán)境溫度升高)時,，大電流(或環(huán)境溫度升高)所產(chǎn)生的熱量使聚合物迅速膨脹，切斷了導(dǎo)電粒子所構(gòu)成的導(dǎo)電通路,，PPTC呈高阻狀態(tài),。當(dāng)電路中過電流(超溫狀態(tài))排除后,，聚合物冷卻，體積恢復(fù)正常,，其中導(dǎo)電粒子又重新構(gòu)成導(dǎo)電通路,，PPTC又呈初始的低阻狀態(tài)。PPTC的體積小,，成本低,，可反復(fù)使用，實現(xiàn)了電路保護(hù)的自動啟動和自動恢復(fù),。
在LED照明中,，根據(jù)燈具應(yīng)用場合的不同有不同的過熱保護(hù)方式，通常分為兩種,。一種方式是達(dá)到規(guī)定溫度立即啟動關(guān)斷保護(hù)(圖4),，此種保護(hù)通常應(yīng)用于道路交通信號燈。另一種方式是到一定溫度啟動保護(hù),，進(jìn)行降電流驅(qū)動(圖5),，此種保護(hù)通常應(yīng)用于室內(nèi)照明和道路照明,。
泰科電子針對LED照明應(yīng)用開發(fā)了一款PolySwitch產(chǎn)品,。該產(chǎn)品在環(huán)境溫度65℃下可以保證350mA電流正常通過，可在環(huán)境溫度超過85℃時進(jìn)行保護(hù),，通過合理設(shè)計,、配置，可以分別以關(guān)斷或調(diào)暗的方式對LED燈具進(jìn)行保護(hù),。
串并聯(lián)相結(jié)合的巨型陣列照明或景觀燈的過流和過熱保護(hù)在成本與保護(hù)方案的相互平衡中,，通常有兩種保護(hù)方案可以采用。一是分路保護(hù)(圖6)：對多串的 LED系統(tǒng),，可以在每隔支路上串聯(lián)一顆PPTC分別進(jìn)行保護(hù),。這種方式的好處是可以實現(xiàn)精確保護(hù)，不會因為某一支路的故障而導(dǎo)致整個燈具的不工作,，保護(hù)的可靠性好,。二是主干路保護(hù)(圖7)：這種保護(hù)就是在燈具的主回路上串聯(lián)一顆PPTC，對整個燈具進(jìn)行保護(hù),。這種方式的好處是成本低,，占板面積小。
此外,，PPTC可以作為溫度傳感器與 LED驅(qū)動器配合使用,，實現(xiàn)LED陣列照明的過熱保護(hù)(圖8)，在大型陣列照明中,，由于LED燈串眾多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,，在實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)過熱故障的位置,，往往并不固定于某個特定的位置，因此單顆過熱檢測器件很難提供完善的過熱保護(hù),。PPTC在正常工作下的低電阻以及正溫度系數(shù)特性,，可以方便地將數(shù)顆 PPTC串聯(lián)于熱保護(hù)檢測電路，實現(xiàn)多點過熱監(jiān)控,。將多個PPTC串聯(lián),、并安裝于可能出現(xiàn)過熱的部位。由于PPTC的低電阻,，THRM引腳電平為0,，電源電路正常工作。當(dāng)燈具某處或多處發(fā)生過溫故障時,，THRM回路中的一顆或幾顆PPTC受熱,，電阻急劇上升，THRM引腳電平變?yōu)楦唠娖?，從而啟動LED驅(qū)動器設(shè)計的過熱保護(hù)方案,，實現(xiàn)過熱關(guān)斷或過熱折減驅(qū)動。這種解決方案對LED面光源的過熱保護(hù)而言經(jīng)濟(jì)有效,。泰科電子可以為客戶提供相關(guān)的設(shè)計及驗證服務(wù),。
本文小結(jié)
PPTC由于其本身的諸多特點，非常適合于LED照明系統(tǒng)的過流和過熱保護(hù),，在設(shè)計中可以將PTC安裝在金屬芯電路板或LED散熱板以實現(xiàn)最好的熱傳導(dǎo),，使PPTC保護(hù)更加及時、有效,。此外,，PPTC產(chǎn)品的封裝形式多樣，能根據(jù)客戶要求定制封裝,，靈活性很強,。但過熱保護(hù)沒有標(biāo)準(zhǔn)解決方案，具體設(shè)計必須結(jié)合實際燈具,，并進(jìn)行充分驗證,。